DE3740532C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von Elektronenstrahl-Bearbeitungen mit einem außerhalb einer Vakuum­ kammer angeordneten Elektronenstrahlerzeuger und einer innerhalb der Kammer vorgesehenen Aufnahme für das zu bearbeitende Werk­ stück.

Bekanntlich wird für Elektronenstrahlbearbeitungen, insbesondere für das Elektronenstrahlschweißen, ein Vakuum benötigt, das ei­ nerseits eine Störung der Strahlführung durch Luftmoleküle ver­ hindert und andererseits einen Schutz des Schweißgutes vor Oxidation bewirkt. Elektronenstrahlschweißungen werden daher mit Hilfe von äußerst stabilen Vakuumkammern durchgeführt, auf denen ein Elektronenstrahlerzeuger fest oder verschiebbar montiert ist. Mit solchen Anlagen lassen sich auch andere Elektronenstrahl-Be­ arbeitungen, beispielsweise Oberflächenhärtungen mittels eines Elektronenstrahls, ausführen. Derartige Elektronenstrahlschweiß­ maschinen sind beispielsweise durch die DE 20 09 448 A1 oder die US 36 26 142 bekannt.

Da derartige Elektronenstrahl-Schweißanlagen regelmäßig wirt­ schaftlich nur dann ausgenutzt werden können, wenn verschieden­ ste Gegenstände geschweißt werden, wird die Dimension der Vakuum­ kammer auf das größte zu schweißende Teil ausgerichtet. Hieraus resultiert notwendigerweise für kleinere verschweißte Teile ein unverhältnismäßig großer Evakuierungsaufwand, der sich insbeson­ dere in einer relativ langen Evakuierungszeit niederschlägt. Die lange Evakuierungszeit bedingt eine geringe Effektivität der Schweißanlage, da der für den Schweißvorgang benötigte Zeitraum klein gegenüber dem Zeitraum für die Evakuierung der Vakuumkammer ist.

Die somit aus wirtschaftlichen Gründen begrenzte Größe der Vakuumkammern hat dazu geführt, daß Elektronenstrahlschweißungen vorzugsweise für die präzise Großserienfertigung von dünnwandigen Werkstücken (Getrieberäder, Druckspeicher, Brennkammern usw.) durchgeführt werden, obwohl eine technische Überlegenheit des Elektronenstrahl-Schweißverfahrens gerade im Dickblechbereich bis 200 mm, also im Schwermaschinenbau, liegt. Für die dabei zu bear­ beitenden großen Werkstücke sind geeignete Vakuumkammern bisher nicht wirtschaftlich realisierbar gewesen.

Aus der US 40 93 843 ist eine Elektronenstrahlschweißanlage bekannt, bei der eine Mehrzahl evakuierbarer Kammern auf einem Drehtisch angeordnet und mit einer für jede Kammer eine kleine Durchgangsöffnung aufweisenden Abdeckplatte abgedeckt sind. Die Kammern des Drehtisches sind unter eine Elektronenstrahlkanone fahrbar und werden vorher durch eine Pumpstation evakuiert. Auf diese Weise soll eine rationelle Ausnutzung der Elektronenstrahl­ kanone erreicht werden, indem die Zeit für die Auswechslung der zu schweißenden Gegenstände den Arbeitstakt für die Elektronen­ strahlkanone nicht beeinträchtigt, da die Auswechslung während der Durchführung des Schweißvorganges bei einer anderen Kammer erfolgen kann. Diese Anordnung eignet sich jedoch nur für kleine, leicht bewegliche Teile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Konzept für eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, das einen wirtschaftlichen Einsatz des Elektronenstrahl-Verfahrens auch für unterschiedlich große Werkstücke erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Aufnahme auf einer massiven Grund­ platte gelagert ist, die zugleich die Basis für den unabhängig von der Vakuumkammer gelagerten Elektronenstrahlerzeuger ist und daß die die Aufnahme umgebende Vakuumkammer statisch von dem Elektronenstrahlerzeuger unabhängig und an sie der Elektronen­ strahlerzeuger angekoppelt ist.

Das erfindungsgemäße neue Konzept für den Aufbau der Vorrichtung besteht demzufolge darin, daß die erforderliche genaue Positio­ nierung des vorzugsweise verfahrbar gelagerten Elektronenstrahl­ erzeugers zum Werkstück unabhängig von der Vakuumkammer erfolgt, nämlich über das gemeinsame statische Element massive Grundplatte. Dies hat zur Folge, daß die Vakuumkammer, die nunmehr keine statische Funktion mehr ausübt, einerseits in Leichtbauweise erstellt werden kann, und andererseits leicht auswechselbar sein kann, so daß Vakuumkammern verschiedener Größe in derselben Vorrichtung innerhalb kurzer Zeit einsetzbar sind. Daraus resul­ tiert die Möglichkeit einer optimalen Anpassung der Größe der Vakuumkammer an das zu schweißende Werkstück und damit eine rationelle und effektive Fertigung.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Vakuumkam­ mer ohne Boden ausgebildet und liegt mit einem abdichtenden Rand auf der Grundplatte auf. Vorzugsweise weist dabei die Grundplatte eine Absaugöffnung auf, hinter der eine Vakuumpumpe angeordnet ist.

Die Vakuumkammer kann verfahrbar gelagert sein, so daß sie zum Zwecke der Auswechslung schnell entfernt und durch eine andere Vakuumkammer ersetzt werden kann.

Da nach dem erfindungsgemäßen Konzept die Vakuumkammern keine statische Funktion mehr haben, sondern lediglich den Aufbau des Vakuums ermöglichen müssen, kann eine Verformung der Wände der Vakuumkammern - üblicherweise nur im Millimeterbereich - hinge­ nommen werden. Allerdings ist es erforderlich, daß der Elektro­ nenstrahlerzeuger an einem definierten Ort an eine Durchgangsöff­ nung der Vakuumkammer angekoppelt werden kann. Hierzu sind vorzugsweise Koppelelemente an dem Elektronenstrahlerzeuger als auch an der Vakuumkammer vorgesehen. Das Teil des Koppelelements, das an der Vakuumkammer angebracht ist, muß gegenüber der Vakuumkammer in einem gewissen Umfang bewegbar sein, wenn eine Verformung der Wände der Vakuumkammer in Kauf genommen wird. Vorzugsweise sind die Koppelelemente gegenüber der Vakuumkammer elastisch ausgebildet.

Die universelle Anwendbarkeit für verschiedenste Werkstücke wird dadurch noch vergrößert, daß die Vakuumkammer mehrere Öffnungen mit Koppelelementen zur Ankopplung des Elektronenstrahlerzeugers aufweist. Die Öffnungen sind dabei so verteilt, daß aus den ver­ schiedensten Richtungen Elektronenstrahlen auf die Werkstücke ge­ langen können.

Der Elektronenstrahlerzeuger ist vorzugsweise mit einem in der Grundplatte verankerten Portal verfahrbar. Dabei kann das Portal Teil eines Mehr-Achsen-Manipulators sein. Aufgrund der Verfahr­ barkeit des Elektronenstrahlerzeugers kann ein Elektronenstrahl­ erzeuger nacheinander an mehrere gleichzeitig installierte Vakuumkammern angeschlossen werden, wodurch eine rationelle Aus­ lastung der Anlage möglich ist.

Bei Elektronenstrahlbearbeitungen treffen meist hochbeschleunigte Elektronen auf das zu bearbeitende Werkstück auf und werden schlagartig abgebremst. Daher entstehen bei Elektronenstrahlbear­ beitungen regelmäßig Röntgenstrahlen, die gegenüber dem Bedien­ personal abgeschirmt werden müssen. Es ist daher in bisheriger Technik üblich, die Wände der Vakuumkammer zu verbleien, um sie für Röntgenstrahlen undurchdringbar zu machen.

Erfindungsgemäß wird die Abschirmung der Röntgenstrahlen nicht mit den leicht auswechselbaren Vakuumkammern vorgenommen, sondern mit Wänden, die die gesamte Vorrichtung allseitig umgeben. Kon­ kret wird die Vorrichtung zweckmäßigerweise in einer Halle unter­ gebracht sein, deren Wände die Bleiabschirmung aufweisen. Selbst­ verständlich ist es dann erforderlich, daß die Halle während des Elektronenstrahl-Bearbeitungsvorganges nicht vom Bedienpersonal betreten wird, sondern die Bedienung ferngesteuert von einem Bedienraum außerhalb dieser Halle vorgenommen wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Anwendung des Elek­ tronenstrahl-Verfahrens auch für größte Gegenstände, bei­ spielsweise Tragflächen von Flugzeugen. An eine derartige Anwen­ dung war in der bisherigen Technik der entsprechenden Vorrichtun­ gen nicht zu denken.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung von Elektronenstrahlbearbeitun­ gen,

Fig. 2 eine schematische Detaildarstellung eines Koppel­ elements zwischen Elektronenstrahlerzeuger und Vakuumkammer.

Die wesentlichen Elemente der Vorrichtung sind eine massive Grundplatte 1, ein Portal 2, das auf einem oberhalb der Grund­ platte 1 montierten und über Eckstützen 3 in der Grundplatte 1 verankerten Rahmen 4 verfahrbar ist und ein Elektronenstrahler­ zeuger 5, der über einen Manipulatorarm 6 mit dem Portal 2 verbunden ist.

In dem in X-Richtung verfahrbaren Portal 2 ist der Manipulator­ arm 6 selbst (in Y-Richtung) verfahrbar. Der Manipulatorarm 6 erlaubt ferner eine Höhenverstellung (Z-Richtung) sowie eine Ro­ tation (Richtung R und Richtung S) um eine Anlenkachse am Portal und um die Längsachse des horizontal stehenden Teilarms des Manipulatorarms 6. Insgesamt befindet sich der Elektronenstrahl­ erzeuger 5 somit an einem 5-Achsen-Manipulator und kann somit präzise gesteuert in jede beliebige Lage relativ zu dem zu ver­ schweißenden Werkstück gebracht werden.

Das zu verschweißende Werkstück ist von einer Vakuumkammer 7 um­ geben, die zeltartig an der Unterseite offen ausgebildet ist und eine kreisförmige Absaugöffnung 8 der Grundplatte 1 übergreift. Die Vakuumkammer 7 liegt mit einem abdichtenden unteren Rand auf der Grundplatte 1 auf, der sich aufgrund des entstehenden Unterdrucks immer stärker gegen die Grundplatte 1 zieht.

Unter der Absaugöffnung ist eine Vakuumpumpe 9 installiert, die mit einem Absaugstutzen 10 in die Absaugöffnung 8 der Grundplatte 1 hineinragt.

Die Vakuumkammer 7 ist auf Schienen 11 von der Grundplatte 1 her­ unter verfahrbar und kann durch Auswechsel-Vakuumkammern 7′ er­ setzt werden. Fig. 1 läßt verschiedene Formen und Größen kubi­ scher Vakuumkammern 7′ erkennen, aber auch eine halbkugelförmige Glocke. Alle Vakuumkammern 7, 7′ sind mit einer Mehrzahl von Öff­ nungen 12 ausgestattet, an die der Elektronenstrahlerzeuger an­ koppelbar ist.

Die gesamte Vorrichtung befindet sich einschließlich der Schienen 11 und der Auswechsel-Vakuumkammern 7′ in einer Halle 13, deren Wände verbleit sind und daher Röntgenstrahlen nicht durchlassen. Die Steuerung des Schweißvorganges erfolgt aus einem außerhalb der Halle 13 an diesen angesetzten Bedienraum 14, aus der heraus die Vorrichtung durch eine Bleiglasscheibe 15 beobachtet werden kann.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Koppelelement 15, mit dem die An­ kopplung des Strahlerzeugers 5 an die Vakuumkammer 7 in definier­ ter Weise erfolgt. Das Koppelelement 15 besteht aus einem strahlerzeugerseitigen Koppelglied 16 und einem vakuumseitigen Koppelglied 17. Beide Koppelglieder 16, 17 weisen je ein Absperr­ ventil 18, 19 auf, die gemeinsam ermöglichen, daß nach Durchfüh­ rung der Kopplung der Inhalt des Koppelelements 15 über eine Lei­ tung 20 evakuiert werden kann. Die beiden hohlzylindrischen Kop­ pelglieder 16, 17 weisen zueinanderzeigende Stirnseiten 21 auf, die konjugiert zueinander geformt sind. Die Verbindung erfolgt mit Hilfe von Spannelementen 22. Die konjugiert geformten Ober­ flächen 21 und Spannelemente 22 garantieren einen korrekten Sitz der Koppelelemente 16, 17 zueinander und damit einen korrekten Ver­ schluß des Koppelelements 15. In dem dargestellten Ausführungs­ beispiel bestehen die konjugiert zueinander geformten Oberflächen 21 einerseits aus konisch geformten Vorsprüngen und andererseits aus entsprechend konisch geformten Ausnehmungen.

Die Aufnahme kann auch durch die Grundplatte 1 selbst gebildet oder gegenüber der Grundplatte 1 verfahrbar sein.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Durchführung von Elektronenstrahl-Bearbei­ tungen mit einem außerhalb einer Vakuumkammer (7, 7′) ange­ ordneten Elektronenstrahlerzeuger (5) und einer innerhalb der Vakuumkammer (7, 7′) vorgesehenen Aufnahme für das zu be­ arbeitende Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Aufnahme auf einer massiven Grundplatte (1) befindet, die zugleich die Basis für den unabhängig von der Vakuumkammer (7, 7′) gelagerten Elektronenstrahlerzeuger (5) ist und daß die die Aufnahme umgebende Vakuumkammer (7, 7′) statisch von dem Elektronenstrahlerzeuger (5) unabhängig und an sie der Elektronenstrahlerzeuger (5′) ankoppelbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (7, 7′) ohne Boden ausgebildet ist und mit einem abdichtenden Rand auf der Grundplatte (1) aufliegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (1) eine Absaugöffnung (8) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ zeichnet, daß die Vakuumkammer (7) verfahrbar und auswech­ selbar angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vakuumkammern (7, 7′) verschiedener Größe und/oder Form zur Aufnahme verfahrbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ankopplung des Elektronenstrahlerzeu­ gers (5) an die Vakuumkammer (7) mit gegenüber der Vakuum­ kammer (7) bewegbaren Koppelelementen (15) erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente (15) elastisch zwischen der Vakuumkammer (7) und dem Elektronenstrahlerzeuger (5) ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Elektronenstrahlerzeuger (5) verfahr­ bar gelagert ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Elektronenstrahlerzeuger (5) an mehrere gleichzeitig installierte Vakuumkammern (7, 7′) an­ koppelbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ zeichnet, daß die Vakuumkammer (7, 7′) mehrere Öffnungen (12) mit Koppelelementen (15) zur Ankopplung des Elektronen­ strahlerzeugers (5) aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Elektronenstrahlerzeuger (5) mit ei­ nem in der Grundplatte (1) verankerten Portal (2) verfahr­ bar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Elektronenstrahlerzeuger (5) an einem Mehr-Achsen-Manipulator (2, 6) befestigt ist, der auf der Grundplatte (1) gelagert ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Grundplatte (1) mit dem verfahrbar gelagerten Elektronenstrahlerzeuger (5) und der Vakuumkammer (7) allseitig von Röntgenstrahlen abschirmenden Wänden (13) umgeben ist.