DE3117527C2

DE3117527C2 - Elektronenstrahlschweißverfahren für ungleichartige Metalle mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls

Info

Publication number: DE3117527C2
Application number: DE19813117527
Authority: DE
Inventors: Gennadij Nikolaevi&ccaron; Saratov Filatov; Sergej Vasil'evi&ccaron; Gavrincev; Sergej Petrovi&ccaron; Ko&ccaron;armin; Valentin Grigor'evi&ccaron; Pavljukov; Aleksandr Fomi&ccaron; Zorichin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-05-04
Filing date: 1981-05-04
Publication date: 1986-10-09
Also published as: DE3117527A1

Abstract

Das Elektronenstrahlschweißverfahren für ungleichartige Metalle (5, 6) mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls (15) besteht darin, daß der Schweißstoß (16) der ungleichartigen Metalle mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit (v) verschoben und der Elektronenstrahl (15) mit Transversalschwingungen bezüglich des Schweißstoßes (16) bei einer vorgegebenen Amplitude (A) und Frequenz (f) abgegeben wird. Hierbei werden die Verschiebungsebene des Schweißstoßes (16) und die Ebene der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls (15) unter einem Winkel (Formel) zueinander angeordnet.

Description

a = arc tg

zueinander angeordnet werden, wobei

A - Amplitude der Tranversalschwingungen des Elektronenstrahls (15) bezüglich des Schweißstoßes

(16) [mm]
/ - Frequenz der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls (15) bezüglich des Schweißstoßes

(16) [l/s]
ν - Verschiebungsgeschwindigkeit des Schweißstoßes (16) [mm/s] bedeuten.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlschweißverfahren für ungleichartige Metalle mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls durch Verschiebung des Schweißstoßes der verschiedenartigen Metalle und mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit und Zuführung des Elektronenstrahls mit Transversalschwingungen bezüglich des Schweißstoßes bei einer vorgegebenen Amplitude und Frequenz.

Die vorliegende Erfindung kann mit Erfolg im Maschinen-, Geräte- und Anlagenbau zum Schweißen von Werkstücken aus Metallen mit abweichenden wärmephysikalischen und mechanischen Eigenschaften benutzt werden.

Die gegenwärtige Entwicklung der Industrieproduktion erhöht die Anforderungen an die Güte und Zuverlässigkeit von aus verschiedenartigen Metallen hergestellten Konstruktionen. Im Zusammenhang damit werden die Anforderungen auch an für diese Konstruktionen benötigte Schweißverbindungen aus diesen Metallen erhöht.

Die aussichtsreichste Schweißrnethode für Metalle mit abweichenden wärmephysikalischen Eigenschaften ist ein Elektronenstrahlschweißen, weil der Prozeß unter Vakuum abläuft und leicht steuerbar ist, während die hohe Energiedichte des gebündelten Elektronenstrahls es gestattet, eine tiefe dolchartige Durchschmelzung des Metalls mit einer geringfügigen Zone des thermischen Einflusses zu sichern.

Es ist ein Elektronenstrahlschweißverfahren für ungleichartige Metalle mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls aus dem japanischen Patent Nr. 42-24816, bekannt, und zwar durch Verschiebung des Schweißstoßes der ungleichartige Metalle und Zuführung des Elektronenstrahls mit Transversalschwingungen bezüglich des Schweißstoßes. Gemäß dem genannten Verfahren wird die Fokussierung des Elektronenstrahls in der Weise 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 vershiedenartiger Metalle mit einer Durchschmelztiefe von über 2 mm die Schmelzzone des wärmeleitenden Metalls in der Nahtwurzel mit einer nicht durchgewärmten (»kalten«) Zone des weniger wärmeleitenden Metalls kontaktiert, was zur Fehlerbildung in Form von Poren, Lunkern führt und also seine Anwendung einschränkt.

Darüber hinaus ist es gemäß dem vorliegenden Verfahren bei einer Entfokussierung des Elektronenstrahls auf dem 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 Bedingungen für die Formierung einer Schweißverbindung verschlechtert sowie den Energieaufwand erhöht.

Es ist ein weiteres Elektronenstrahlschweißverfahren mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls für

ungleichartige Metalle aus der Zeitschrift »Automatische Schweißung« Nr. 5, Mai 1973, Moskau von

F. N. Ryiihkow, S. 56, bekannt, und zwar durch Verschiebung des Schweißstoßes der verschiedenartigen Metalle mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit und Zuführung des Elektronenstrahls mit Transversalschwingungen bezüglich des Schweißstoöes bei einer vorgegebenen Amplitude und Frequenz.

Nach diesem Verfahren ist aber beim Schweißen ungleichartiger Metalle die Schmelzzone des wärmeleiten-

den Metalls bezüglich der Schmelzzone des anderen Metalls verschoben, weshalb das aufgeschmolzene wärmeleitende Metall mit der »kalten« Zone des anderen Metalls über den gesamten Schweißquerschnitt kontaktiert wird, was m Fehlerbildung (Poren, Lunker) beim Schweißen von Metallen mit stark voneinanderabweichenden wärmephysikalischen Eigenschaften führt und die Güte der Schweißverbindung beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Elektronenstrahlschweißverfahren für ungleichartige Metalle mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls der eingangs genannten Art 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 Elektronenstrahlschweißverfaren für ungleichartige Metalle mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls dk Verschiebungsebene des Schweißstoßes und die Ebene der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls unter einem Winkel

. 4Λ/

a = arc tg ——
ν

zueinander angeordnet werden, wobei

A - Amplitude der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls bezüglich des Schweißstoßes [mm] / - Frequenz der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls bezüglich des Schweißstoßes [l/s] ν - Verschiebungsgeschwindigkeit des Schweißstoßes [mm/s] bedeuten.

Demnach errechnet sich der Winkel α aus dem arc tg des Quotienten aus der Amplitude A und einer Verschiebungsstrecke des Schweißstoßes, welche gleich dem Produkt aus der Geschwindigkeit ν und der entsprechenden Böwegungszeitspanne ist. Diese Bewegungszeitspanne beträgt 1/4 der Periodendauer der Transversalschwingung des Elektronenstrahles. Ersetzt man die Periodendauer durch den reziproken Wert der Frequenz der Transversalschwingung, so erhält man die oben genannte Gleichung fur den Winkel a. Die Schweißgeschwindigkeit der Schweißstoßnaht ergibt sich aus einer Gleichung, die in der Zeitschrift »MASHINOSTROYENIYE« 1978, Seite 122 von N. N. Rykalin, mit dem Titel »Foundations of Electronic Arc Processing of Metals« behandelt wird. Diese Gleichung lautet:

/ · U 5/t

_ 2,1 · H · dp (CT₁ + L)₈ dp (CT₁ + L)

I₊-

lap (cf, + L)

Hierin bedeuten / der Schweißstrom, U die Beschleunigungsspannung, H die Einbrandtiefe im Metall, d die Breite der Nahtzone im Nahtgrund, c die Wärmekapazität^ die Dichte, T\ die Schmelztemperatur des Metalls, L die spezifische Schmelzenergie des Metalls, α das Temperaturleitvermögen, und λ die Wärmeleitfähigkeit.

Die Frequenz der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls bezüglich des Schweißstoßes errechnet sich nach der Formel:

_f _ d(\ -k)

I₁ +T₇

Hierbei bedeuten r, und r₂ Teilperiodenzeiten der Transversalschwingung des Elektronenstrahles diesseits und jenseits des Schweißstoßes. A: ist der Überdeckungsfaktor, während d der Durchmesser des Brennfleckes beim Schweißen ist.

Bei Einhaltung dieses Winkels α nach der oben genannten Beziehung ergibt sich eine symmetrische Verteilung der Schmelzflächen.

Die vorliegende Erfindung gestattet es, die Schmelzzonen der ungleichartigen Metalle zur Deckung zu bringen und ein einheitliches, um den Stoß symmetrisches Schweißbad zu formen, was eine Fehlerbildung (z. B. Poren, Lunker, Hohlräume) in der gesamten Durchschmelztiefe ausschließt und damit die Güte der Schweißverbindung erhöht.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand einer Beschreibung konkreter Ausführungsbeispiele und beiliegender Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Elektronenstrahlschweißeinrichtung für ungleichartige Metalle mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls, mit der das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Verschiebung der Ebene der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls (Ansicht in der Isometrie im Schnitt) realisiert wird,

F i g. 2 eine Elektronenstrahlschweißeinrichtung für ungleichartige Metalle mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls, mit der das erfindungsgemäße Verfahren bei Schwenkung der Verschiebungsebene des Schweißstoßes (Ansicht in der Isometrie im Schnitt) realisiert wird,

Fig. 3 schematisch Transversalschwingungen des Elektronenstrahls in Bezug auf den Schweißstoß nach Fig. 1, gemäß der Erfindung und

Fig. 4 schematisch Transversalschwingungen des Elektronenstrahls in Bezug auf den Schweißstoß nach Fig. 2, gemäß der Erfindung.

Gemäß dem erfindungsgemäüen Verfahren wird beim Schweißen großformatiger Konstruktionen die gegenseitige Anordnung der Verschiebungsebene des Schweißstoßes und der Ebene der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls unter dem Winkel α durch Verschiebung der Ebene der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls um den Winkel α erreicht.

Gemäß dem vorliegenden Verfahren wird beim Schweißen kleinformatiger 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.

Außerdem wird nach dem vorliegenden Verfahren die gegenseitige Anordnung der Verschiebungsebene des Schweißstoßes 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.

Das Elektronenstrahlschweißvertahren für ungleichartige Metalle mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls kann erfindungsgemäß auf einer beliebigen Einrichtung verwirklicht werden.

Eine der vorgeschlagenen Ausführungsformen der Elektronenstrahlschweißeinrichtung für ungleichartige Metalle mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls enthält eine innerhalb einer Kammer 1 (F i g. 1) ίο untergebrachte Grundplatte 2 mit Führungen 3. Auf den Führungen 3 ist ein verschiebbarer Wagen 4 angeordnet, auf dem zu verschweißende verschiedenartige Metalle S und 6 befestigt sind. Über den Metallen 5 und 6 ist durch ein in einer Wand 7 der Kammer 1 ausgeführtes Loch eine an der Wand 7 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 Ableseskala 13 und einem Anzeiger 14 is für den Winkel a, die hintereinander 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 Schweißstoß 16 unter dem Winkel α schneidet.

Nach einer anderen Ausführungsform sind in der Elektronenstrahlschweißeinrichtung die Anzeigemarken 11 und 14 (F i g. 2) in Übereinstimmung gebracht. Die Grundplatte 2 ist in der Weise verchwenkt, daß sich der sich verschiebende Schweißstoß 16 mit dem Elektronenstrahl 15 unter dem Winkel α kreuzt.

In F i g. 3 sind Transversalschwingungen des Elektronenstrahls 15 (Fig. 1,3) auf der Oberfläche der Metalle 5 und 6 in Bezug auf den Schweißstoß 16 bei einer Verschiebung der Ebene der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls 15 um den Winkel α schematisch dargestellt. Die Schmelzzonen 17 und 18 der Metalle 6 bzw. 5 sind symmetrisch um den Stoß 16 bei einer Verschiebung der Metalle 6 und 5 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit im Laufe einer entsprechenden Zeit j\ und r₂ angeordnet.

Die Transversalschwingungen des Elektronenstrahls 15 haben eine vorgegebene Amplitude A und eine Schwingungsperiode T = l/f in einer Schnittlinie 19 der Oberflächen der Metalle 5, 6 mit dem Strahl 15.

In F i g. 4 sind Transversalschwingungen des Elektronenstrahls (F i g. 2,4) auf der Oberfläche der Metalle 5 und 6 in Bezug auf den Schweißstoß 16 bei eier Verschwenkung der Verschiebungsebene des Schweißstoßes 16 um den Winkel α schematisch dargestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der Elektronenstrahlschweißeinrichtung wie folgt realisiert.

Vor der Schweißung werden die Grundparameter der Elektronenstrahlschweißung mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls 15 (Fig. 1):

v- Verschiebungsgeschwindigkeit des Schweißstoßes 16
/ - Schwingungsfrequenz des Elektronenstrahls 15
A - Schwingungsamplitude des Elektronenstahls 15

berechnet.
Dann wird nach der Beziehung

a = arc tg ——
v

der Winkel α zwischen der Schwingungsebene des Elektronenstrahls 15 und der Ebene des sich verschiebenden Stoßes 16 errechnet.

Die Metalle 5,6 werden aneinander gebracht. Durch Schwenken des Ablenksystems 12 bezüglich der Fokussierungslinse 10 wird an der Ableseskala 13 der berechnete Winkel α zwischen den Anzeigemarken 11 und 14 eingestellt. Danach wird die Kammer 1 evakuiert. Es werden die berechneten Schweißparameter eingestellt und

so der Elektronenstrahler 9 der Elektronenkanone 8 eingeschaltet. Danach wird der Wagen 4 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit verschoben und gleichzeitig auf den Schweißstoß 16 der Elektronenstrahl 15 mit einer vorgegebenen Amplitude A und Frequenz / der Transversalschwingungen gerichtet. Nach der Schweißung des Stoßes 16 werden die Ausstrahlung des Strahls 15 und die Verschiebung des Wagens 4 mit den ungleichartigen Schweißmetallen 5 und 6 eingestellt.

Die Kammer läßt man undicht werden. Vom Wagen 4 werden die miteinander verschweißten Metalle 5 und 6 abgenommen.

Falls der Winkel α durch Verschwenkung der Verschiebungsebene des Schweißstoßes 16 (Fig. 2) gebildet wird, erfolgt die Vorberechnung des Winkels α in Analogie zur vorhergehenden Ausführungsform des Verfahrens. Die Grundplatte 2 mit den zu verschweißenden Metallen 5 und 6 wird um den berechneten Winkel α verschwenkt. Hierbei fallt die Anzeigemarke 11 auf der Fokussierungslinse 10 mit der Anzeigemarke 14 auf der Skala 13 des Ablenksystems 12 zusammen. Die nachfolgenden Operationen werden in gleicher Reihenfolge wie im vorhergehenden Fall wiederholt.

Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel beschrieben.

Es wurde Stahl mit Bronze verschweißt. Der Durchmesser des Elektronenstrahls 15 (F i g. 1,2) wurde mit einer bekannten Methode einer drehbaren Sonde gemessen. Der Wert des Durchmessers des Brennflecks betrug 0,66 mm.
Die Schweißgeschwindigkeit ν (Fig. 3, 4) wurde nach der Beziehung:

IU 5λ

2,1 · H ■ dp (CT₁ +L)₈ dp (CT₁+L)

lap (cT, + L) 5

ermittelt, wobei

/ = 0,056 A - Schweißstrom

U — 22 500 V - Beschleunigungsspannung ίο

H = 0,475 cm - Einbrandtiefe von Bronze

d = 0,48 cm - Breite der Nahtzone im Nahtgrund

c =0,381 -Wärmekapazität

g-grd ¹⁵

ρ = 8,4 g/cm² - Dichte

T₁ = 1080°C - Schmelztemperatur von Bronze

L = 205 J/g - spezifische Schmelzenergie von Bronze

a = 1,234 cmVs - Temperaturleitvermögen 20

λ = 3,95 W/cm · grd - Wärmeleitfähigkeit

bedeuten. Dann ist

0,56 · 22500 _ 5 · 3,95

2,1 · 0,475 · 0,48 · 8,4 (0,381 · 1080 + 205) 0,48 : 8,4 (0,381 ■ 1080 + 205)

ν =

^{1 +} 2 · 1,234 ■ 8,4 ■ (0,381 · 1080 + 205) ₃₀

ν = 0,5 cm/s = 5 mm/s.

Es sei die Schwingungsfrequenz / des Elektronenstrahls 15 (Fig. 1, 2, 3, 4) nach der Beziehung:

40 45

Z	_d(\	-Ar)	ergibt	T-	1 Z
	+ T₂	= </(!	sich:
bestimmt, wobei		-*)·	Z und Z =
'.
ist. Es
V
wobei

rf(l-Ar)'

50

ν = 5 mm/sec - Schweißgeschwindigkeit
d = 0,66 mm - Durchmesser des Brennflecks
A: = 0,5 Überdeckungsfaktor

betragen. 55

Dann ist

0,66(1-0,5)
Die Amplitude A des Elektronenstrahls 15 wurde nach der Beziehung: ⁶⁰

A = AAiAr₂F- ίΤ^/Λ/ί/₀/ berechnet, wobei

_k =_Kfi_. k =—· 1: - ^ZjlL ^6S

2 · π ' Ld" ² IZ₀I

bedeuten.

Nach Einsetzen von k, k\, k₂ erhält man:

μ₀ = 1 - Permeabilität des Vakuums a =15 mm - Höhe W = 900 - Windungszahl

d - 45 mm - mittlerer Durchmesser Z₀ = 1000 Ohm - Widerstand von (in der Zeichnung nicht angedeuteten) Ablenkspulen F = 50 mm-AbstandvomZentrumdesAblenksystemsnbiszurOberflächederSchweißmetalleSundo U = 22 500 V - Beschleunigungsspannung U₀ = 0,2 V - Klemmenspannung des Ablenksystems 12 der Kanone 8 betragen.

Dann ist:

115- 9000 · 50 · 0,2 ₌ . , 45 · 1000 ·

A = 0,2 mm.

Ferner wird der Winkel α zwischen der Richtung der Transversalschwingungen des Strahls 15 und der des sich 25 verschiebenden Schweißstoßes 16 nach der Beziehung:

a = arc tg

4Af

arc tg

4 · 0,2 ·

67°22'

berechnet.

Durch Verschwenkung des Ablenksystems 12 wurde auf der Skala 13 mittels Anzeigemarken 11,14 auf der Fokussieirungslinse 10 und dem Ablenksystem 12 der berechnete Winkel α mit einer Genauigkeit von 67,5° ei ngestellt.

Die Schweißung erfolgte bei U = 22,5 kV und / = 56 mA.

Die vorliegenden Untersuchungen der Struktur und der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Eigenschaften des Nahtmetalls haben ergeben, daß die Erfindung gegenüber der Serienfertigung die Herstellung von hermetischen und hochfesten Nähten mit einer Durchschmelztiefe von über 2 mm gewährleistet. Die Schweißverbindung war fehlerhaft. 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.

Darüber hinaus erweitert das vorliegende Verfahren die Nomenklatur der Schweißmetalle, zu denen leichtflüchtige Komponenten (wie z. B. Al, Mn, Sn) gehören.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Elektronenstrahlschweißverfahren für ungleichartige Metalle mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls durch

Verschiebung des Schweißstoßes der verschiedenartigen Metalle mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit und

Zuführung des Elektronenstrahls mit Transversalschwingungen bezüglich des Schweißstoßes bei einer vorgegebenen Amplitude und Frequenz,
dadurch gekennzeichnet,

ίο daß die Verschiebungsebene des Schweißstoßes (16) und die Ebene der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls (15) unter einem Winkel