DE4438303A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Elektronenstrahlschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Elektronenstrahlschweißen mit einbezogener Wärmebehandlung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein verbessertes Verfahren einer Wärmebehandlung eines Werkstücks vor, während und nach dem Schweißvorgang. Ebenso bezieht sich die Erfin­ dung auf eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, ein Werkstück unter Verwendung eines fokus­ sierten Elektronenstrahls zu schweißen. Die Bewegung des Elektronenstrahls über das Werkstück wird durch Ablenkspulen der Elektronenstrahlquelle so gesteuert, daß der Elektronen­ strahl sich entlang des zu schweißenden Werkstückbereichs be­ wegt. Eine Vorerwärmung des Schweißbereichs sowie ein Abküh­ len des Bereichs nach dem Schweißen wird durch Rasterung des Elektronenstrahls gesteuert, d. h. der Strahl wird sehr schnell mittels der Ablenkspulen nach einem vorgegebenen Muster über dem Werkstück hin- und herbewegt.

Aus dem UK-Patent 2 265 103 ist eine Anordnung dieser Art bekannt, bei welcher ein gesteuertes Abkühlen eines Werk­ stücks nach dem Schweißvorgang durch Steuerung des Tempera­ turgefälles aus dem Schweißbereich erfolgt, in dem der Elektronenstrahl in ein Rastermuster überführt wird, das einen die Schweißzone umgebenden Bereich abdeckt.

Das US-Patent 4 591 688 beschreibt ein System und ein Ver­ fahren zum Elektronenstrahlschweißen, wobei das Verfahren durch Modulieren des Schweißstrahls entlang eines vorge­ gebenen Bahnverlaufs modifiziert ist, um die Qualität der Schweißung zur Vermeidung innerer Schweißdefekte zu ver­ bessern. Das Auftreffen des Elektronenstrahls auf dem Werk­ stück erzeugt eine Schmelzzone, die eine flüssige Zone und unmittelbar unter dem Strahl, wo die Wärmezufuhr am größten ist, eine Dampfzone aufweist. Während der Strahl in Richtung der Schweißung vorbewegt wird, fließt das flüssige Metall in der Schweißzone mit Bezug auf die Bewegungsrichtung von vorn nach hinten, wobei ein Kapillarrohr aus verdampftem Material gebildet wird. Die Dynamik der Eigenschaften der Flüssig­ keits/Dampf-Phasen des geschmolzenen Schweißbads, ihrer Grenzflächen und der Bewegungen des Elektronenstrahls kann Effekte erzeugen, die zu Schweißdefekten führen. Diese Effekte können, wie sich gezeigt hat, dadurch verringert werden, daß der Schweißstrahl oszilliert wird, und das erwähnte Patent beschreibt eine solche Anordnung zur Erzeu­ gung von Mikrobewegungen des Elektronenstrahls während des Schweißvorgangs. Der Elektronenstrahl wird um das geschmol­ zene Schweißbad in einem vorgegebenen mehrwelligen Muster herumbewegt, das sich hinsichtlich der Form und Stabilität der Dampfkapillare in dem Schweißbad vorteilhaft auswirkt. Die Strahlbewegungen sollten das Gefüge der Schweißraupe verbessern und die Zerstäubung verringern. Eine Nebenwirkung der Strahlmikrobewegungen kann eine geringfügige Vergrößerung des Schweißbads sein, aber der Strahl bleibt trotzdem inner­ halb der durch die Flüssigkeits-Feststoff-Grenzfläche defi­ nierten Grenze des Schweißbads.

Jedoch hat sich gezeigt, daß Werkstücke aus manchen Metall­ legierungen, insbesondere aus Nickel- oder Titanlegierungen, die auf diese Weise geschweißt werden, vorzeitigen Rißbil­ dungen in Bereichen längs der Schweißränder unterliegen. Man vermutet, daß eine Hauptursache dieser Risse in den Tempera­ turbeanspruchungen liegt, welchen der Schweißbereich während des Elektronenstrahlschweißens ausgesetzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Temperatur­ profil in einem massiven Metallwerkstück in den die Bahn eines Schweißelektronenstrahls begrenzenden Bereichen zu steuern. Risse und Bruchstellen können in den ungeschmolzenen festen Teilen eines Werkstücks angrenzend an eine Elektronen­ strahlschweißung als Ergebnis von Spannungen auftreten, die durch steile Temperaturgradienten in der festen Phase in dem festen Metall erzeugt werden. Die Erfindung bezweckt die Ver­ meidung dieser Spannungen und ihrer Auswirkungen dadurch, daß eine gleichzeitig mit der Erzeugung und dem Vorschub eines Schweißbads direkt im Schweißverfahren erfolgende Wärmebe­ handlung ausgeführt wird. Weitere Maßnahmen der Vorerwärmung und der Nacherwärmung des Werkstücks können in der gleichen Weise ausgeführt werden.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Elektronenstrahl­ schweißen mit gleichzeitig stattfindender Wärmebehandlung vorgesehen, die das Ausführen der Schweißung und der Wärmebe­ handlungsmaßnahmen in einer Folge wiederholter Zyklen aus­ führt, wobei die Schweißschritte durch den Elektronenstrahl in fokussiertem Zustand bei einer ersten Stromdichte ausge­ führt werden und die Wärmebehandlungsschritte durch den Elektronenstrahl in defokussiertem Zustand bei einer zweiten Stromdichte ausgeführt werden, und wobei die zweite Strom­ dichte kleiner als die erste Stromdichte ist.

Vorzugsweise wird die in das Verfahren einbezogene Wärmebe­ handlung mit einem fokussierten Elektronenstrahl bei einer ersten Strahlstromdichte mit folgenden Schritten ausgeführt: vor Erwärmen des Schweißbereichs und der angrenzenden Be­ reiche vor dem Schweißbereich durch Ablenken des Elektronen­ strahls und Rastern desselben über diesen Bereichen in einem defokussierten Zustand und bei der zweiten Strahlstromdichte, Erzeugen eines Schweißbads und Durchführen der Schweißung durch Bewegen des Elektronenstrahls längs der vorgesehenen Bahn im fokussierten Zustand und bei der ersten Strahlstrom­ dichte, Steuern der Temperatur von seitlich der Schweißung liegenden Bereichen durch Ablenken des Elektronenstrahls und Rastern desselben über diesen Bereichen in einem defokussier­ ten Zustand und bei einer dritten Strahlstromdichte, und Steuern der Abkühlung der Schweißung und der Bereiche angren­ zend an die Schweißung hinter dem Schweißbad durch Ablenken des Elektronenstrahls und Rastern derselben über diesen Be­ reichen in einem defokussierten Zustand und bei einer vierten Strahlstromdichte.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die an­ liegenden Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen be­ schrieben, in welchen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Elektronenstrahlschweiß­ vorrichtung, wobei das Strahl­ muster für die Wärmebehandlung im Zuge des Schweißverfahrens dargestellt ist,

Fig. 2 das Temperaturprofil durch das Werkstück nach Fig. 1 längs der Schnittlinie A-A,

Fig. 3 eine Detaildarstellung eines alternativen Strahlmusters für eine Wärmebehandlung innerhalb des Schweißverfahrens, und

Fig. 4 ein Temperaturprofil durch das Werkstück nach Fig. 3 längs der Schnittlinie B-B.

Fig. 1 zeigt eine Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung, die allgemein mit 10 bezeichnet ist und einen Strahlgenerator, eine Gruppe von Toroid-Fokussierspulen 14 und eine Gruppe von Toroid-Ablenkspulen 16 aufweist. Ein vom Strahlgenerator 12 erzeugter Elektronenstrahl ist bei 18 dargestellt und wird auf ein Werkstück 20 gerichtet. Der Strahl 18 ist nach dem Hindurchpassieren zwischen den Fokussierspulen 14 in zwei möglichen Konfigurationen dargestellt, nämlich fokussiert, wie durch den Auftreffbereich 22 dargestellt ist, und defokussiert, wie durch die Auftreffbereiche 24 und 25 dar­ gestellt ist.

Die Toroid-Fokussierspulen 14 sind mit einem an sich bekann­ ten Subsystem 26 zur Strahlfokussiersteuerung verbunden. Die Toroid-Ablenkspulen 16 sind mit einem an sich bekannten Sub­ system 30 zur Strahlablenksteuerung verbunden. Die die Fokus­ sierung und die Ablenkung steuernden Subsysteme 26, 30 sind mit einem mit 32 bezeichneten Computersteuersystem gekoppelt. Das Computersteuersystem 32 steuert das Ablenksteuersubsystem 30 an, um den Elektronenstrahl 18 nach einem programmierten Muster über das Werkstück 20 zu bewegen, und steuert gleich­ zeitig das Fokussteuersubsystem 26 an, um das Fokussieren bzw. Defokussieren des Elektronenstrahls in Abhängigkeit von einem Ablenk/Fokussierungs-Programm zu bewirken.

Die Tragkonstruktion der Schweißvorrichtung ist der Klarheit halber in den Zeichnungen weggelassen. Die Merkmale und Ver­ besserungen der Erfindung sind ohne Darstellung dieser Kon­ struktion deutlich verständlich. Die in dieser Beschreibung erwähnten Relativbewegungen zwischen dem Elektronenstrahl und dem Werkstück, auf welches der Strahl auftrifft, können durch Bewegung eines der beiden Elemente Elektronenstrahl und Werk­ stück oder auch beider bewerkstelligt werden. Vorzugsweise jedoch bleiben die Elektronenstrahlerzeugungseinrichtung und daher auch ihre Tragkonstruktion stationär. Der Elektronen­ strahl ist innerhalb der Grenzen der mittels der Ablenkspulen erzielbaren Ablenkung beweglich, während größere Vorschubbe­ wegungen des Elektronenstrahls mit Bezug auf das Werkstück in Richtung des Schweißnahtverlaufs durch Verschiebung des Werk­ stücks bewerkstelligt werden. Es ist deshalb klar, daß das Werkstück normalerweise auf irgendeiner Art Schlitten mon­ tiert ist, der in den Zeichnungen ebenfalls nicht dargestellt ist. Der Antrieb und die Bewegungssteuerung eines solchen Schlittens oder zumindest deren Koordinierung erfolgen durch Instruktionen, die von dem oben erwähnten Ablenk/Fokussie­ rungsprogramm erzeugt werden. Soweit hier von einem Werkstück die Rede ist, ist dies so zu verstehen, daß damit sowohl zwei oder mehrere miteinander zu verschweißende Werkstückkomponen­ ten als auch das so hergestellte geschweißte Werktstück ge­ meint ist.

Die Fokussierspulen 14 bestehen im wesentlichen aus einem ringförmigen bzw. toroidalen Elektromagneten, der in vier gleiche Segmente unterteilt ist, die elektrisch in Form von zwei gegenüberliegenden Paaren zusammengeschaltet sind. Der Erregerstrom für diese Spulen wird über Anschlüsse 34 vom Fokussteuersubsystem 24 zugeführt, das seinerseits durch vom Steuercomputer 32 erzeugte Befehle über Anschlüsse 36 ge­ steuert wird.

Die Ablenkspulen 16 weißen einen im wesentlichen ähnlichen ringförmigen bzw. toroidalen Elektromagneten auf, der in vier Segmente unterteilt ist, zu denen der Erregerstrom über An­ schlüsse 38 vom Ablenksteuersystem 30 zugeführt wird. Die einzelnen Ablenkspulen sind so angeordnet und elektrisch erregbar, daß sie Strahlbewegungen in zwei zueinander ortho­ gonalen Richtungen in der Ebene des Werkstücks 20 erzeugen können. Das Ablenksteuersubsystem 30 wird seinerseits durch vom Steuercomputer 32 erzeugte und über Anschlüsse 40 zuge­ führte Befehle gesteuert.

Ein dritter vom Computer 32 gesteuerter Parameter ist der Ge­ samtstrahlstrom. Ein Anschluß 42 zwischen dem Computer 32 und dem Elektronenstrahlerzeuger 12 führt Strahlstrombefehle, wo­ durch während des Betriebs der Strahlstrom verändert werden kann. Das vom Computer 32 ausgeführte Schweißsteuerprogramm ist so ausgelegt, daß der Strahl 18 durch ein vorgegebenes Bewegungsmuster gerastert wird, wobei während eines Teils dieser Strahlbewegungen die Strahlstromdichte ausreichend hoch ist, um eine Schweißbad herzustellen bzw. aufrechtzu­ erhalten, und wobei während der übrigen Strahlbewegungen die Strahlstromdichte so verringert ist, daß die Bereiche des Werkstücks, auf welche der Strahl dann auf trifft, nur auf eine Temperatur erwärmt werden, die niedriger als der Schmelzpunkt ist. Grundsätzlich wird der Elektronenstrahl für die Schweiß­ schritte des Verfahrens auf eine kleine Punktfläche fokus­ siert, wobei dann die Schweißschritte mit einer ersten Strahlstromdichte ausgeführt werden. Dieser Wert der Strahl­ stromdichte bestimmt sich aus dem gesamten Strahlstrom, dividiert durch die Auftreffläche der fokussierten Strahl­ punktfläche. Für die in das Verfahren einbezogenen Wärme­ behandlungsschritte wird der Strahl defokussiert, d. h. der von den Spulen 14 erzeugte Fokussierungsgrad wird so ver­ ändert, daß die Auftrefffläche des Strahls auf das Werkstück vergrößert wird. Infolge dieser Vergrößerung der Auftreff­ fläche verringert sich die Strahlstromdichte und folglich auch die Wärmezufuhr pro Flächeneinheit und dadurch die Temperatur, auf welche der Strahl die Auftrefffläche erwärmen kann. Natürlich spielt auch noch eine Anzahl weiterer Fak­ toren bei der Bestimmung der erforderlichen Stromdichte eine Rolle, einschließlich der Größe der Auftrefffläche, der zu erreichenden Temperatur, des Strahlarbeitszyklus und der Leitfähigkeit des Werkstücks. Es hat sich empirisch gezeigt, daß die Breite der Bereiche beiderseits einer Elektronen­ strahlschweißung, die eine Wärmebehandlung bzw. ein Anlassen benötigen, so ist, daß zum ausreichenden Anheben ihrer Tem­ peratrur der Gesamtstrahlstrom während der Wärmebehandlungs­ perioden erhöht werden muß.

Um einen Aspekt des Verfahrens weiter zu illustrieren, zeigen die Fig. 1 und 2 den Elektronenstrahl zwischen drei Posi­ tionen umgeschaltet, bzw. gerastert. In der ersten Position ist der Strahl 18 fokussiert, um einen kleinen intensiven Strahlfleck 22 auf der Schweißlinie 23 zu erzeugen. In der zweiten und dritten Position ist der Strahl auf seitlich mit gleichem Abstand von der Schweißlinie 23 liegende Stellen 24 bzw. 25 umgeschaltet, in welchen der Strahl defokussiert ist, um größere Auftreffflächen zu überdecken, und die Strahlstrom­ stärke ist auf einen zweiten Wert umgeschaltet. Der Strahl 18 wird zwischen den drei Positionen zyklisch umgeschaltet bzw. gerastert, wobei er in jeder Position während einer kurzen, aber nicht notwendiger Weise gleichen Zeitspanne verweilt. In einer typischen Situation zum Erreichen einer ausreichenden Wärmezufuhr zu den Seitenbereichen 24, 25 muß der Wert des Gesamtstrahlstroms für die zweite Strahlstromdichte auf einen größeren Wert als bei der ersten Strahlstromdichte gesteigert werden, obwohl die zweite Strahlstromdichte kleiner als die erste Strahlstromdichte ist. Das Muster der Strahlrasterung wird zyklisch mit ausreichender Frequenz wiederholt, um das erforderliche Temperaturprofil aufrechtzuerhalten.

Fig. 2 zwei zeigt eine Grafik des Temperaturprofils durch das Werkstück längs einer Schnittlinie A-A orthogonal zur Schweißlinie 23. Die Grafik zeigt in Vollinie die Temperatur im Werkstück während der im Verfahren einbezogenen Wärmebe­ handlung und zum Vergleich in gestrichelter Linie die ent­ sprechende Temperatur bei einem einfachen Elektronenstrahl­ schweißverfahren ohne einbezogene Wärmebehandlung.

Die Wirkung des Strahlrastermusters besteht darin, daß die Breite der Werkstückzone hoher Temperatur wesentlich ver­ breitert wird. Die Breite des Schweißbads, d. h. des Bereichs, wo die örtliche Temperatur über den Schmelzpunkt des Werk­ stückmaterials angehoben ist, verbleibt im wesentlichen gleich wie bei dem grundsätzlichen Schweißverfahren. Die Temperatur des Werkstücks beiderseits der Schweißzone ist jedoch über eine beträchtliche Distanz auf seine Anlaßtem­ peratur angehoben. Die genaue Breite dieses wärmebehandelten Bereichs wird so gewählt, daß Spannungsrißbildungen, wie sie bei Werkstücken aus manchen Legierungen wie beispielsweise MARM002 an den Schweißraupenrändern zu finden sind, vermieden werden. Wie durch die gestrichelte Linie des Temperaturpro­ fils dargestellt ist, ist die Schmelzzone schmal und tief, aber das umgebende Material kühl sehr schnell ab, und dies führt bei manchen Materialien zu Problemen, wenn in dem wiederverfestigten Material Spannungen verbleiben, die, machnmal sofort, sich in Rißbildungen äußern. Während der in das Verfahren einbezogenen Wärmebehandlung wird der fokus­ sierte Elektronenstrahl für kurze Zeitperioden in der Größen­ ordnung einiger Millisekunden aus dem Schweißbad herausge­ führt, defokussiert und auf die Wärmebehandlungszonen ge­ rastert, und zwar falls notwendig mit angehobenem Strahl­ strom, um diese Zonen zu erwärmen, jedoch ohne eine Markie­ rung auf der Oberfläche zu erzeugen.

Der Elektronenstrahl kann auch in Vorschubrichtungen so ge­ rastert werden, daß ein Temperaturprofil erzeugt wird, das in Richtung der Schweißlinie 23 ausgedehnt ist, um dadurch ein gewisses Maß an Vorerwärmung und gesteuerter Abkühlung zu er­ reichen.

Nach einem in den Fig. 3 und 4 dargestellten zweiten Aspekt der Erfindung haben die durch einen defokussierten Strahl erwärmten Bereiche 44, 46, 48 und 50 einen kleineren Abstand um das Schweißbad 22 herum. Bei der in Fig. 3 dar­ gestellten Anordnung stoßen die Auftreffbereiche im defo­ kussierten Zustand des Strahls sogar aneinander an. Die in

Fig. 4 dargestellte Auswirkung auf das Temperaturprofil im Werkstück besteht darin, die Zone hoher Temperatur zu ver­ breitern, welche die Schmelzzone umgibt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Elektronenstrahlschweißen mit einbezogener Wärmebehandlung, wobei Schweißschritte und Wärmebehandlungs­ schritte in einer Reihe wiederholter Zyklen ausgeführt wer­ den, wobei die Schweißschritte vom Elektronenstrahl in fokus­ siertem Zustand bei einer ersten Stromdichte ausgeführt werden und die Wärmebehandlungsschritte vom Elektronenstrahl in einem defokussierten Zustand bei einer zweiten Stromdichte ausgeführt werden, und wobei die zweite Stromdichte kleiner als die erste Stromdichte ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahlstrom zum Erreichen der zweiten Stromdichte im defokussierten Zustand größer als der Elektronenstrahl­ strom zum Erreichen der ersten Stromdichte im fokussierten Zustand ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Vorwärmen des Schweißbereichs und von Grenzbereichen vor dem Schweißbereich durch Ablenken des Elektronenstrahls und Rastern derselben über diesen Bereichen in einem defokus­ sierten Zustand bei der zweiten Stromdichte,
Erzeugen einer Schmelzzone und Durchführen der Schweißung durch Bewegen des Elektronenstrahls längs der vorgesehenen Schweißlinie in fokussiertem Zustand und bei der ersten Strahlstromdichte,
Steuern der Temperatur von seitlich der Schweißung liegenden Bereichen durch Ablenken des Elektronenstrahls und Rastern derselben über diesen Bereichen in einem defokussiertem Zu­ stand und bei einer dritten Strahlstromdichte, und
Steuern des Abkühlens der Schweißung und der angrenzenden Bereiche hinter der Schmelzzone durch Ablenken des Elektro­ nenstrahls und Rastern derselben über diesen Bereichen in einem defokussiertem Zustand und bei einer vierten Strahl­ stromdichte.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite, dritte und vierte Stromdichte gleich sind.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlstrom bei der zweiten, dritten und vierten Strahlstromdichte größer als der Strahlstrom bei der ersten Strahlstromdichte ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strahlstrom gepulst wird und die Strahlstromdichte durch die Impulscharakteristik des Strahls bestimmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strahlstromdichte durch Vergrößern bzw. Verringern des Strahlstroms verändert wird.

8. Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung zum Ausführen des Ver­ fahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Elektro­ nenstrahlgenerator, Strahlfokussiermitteln, Strahlablenkmit­ teln und Strahlsteuermitteln, die mit dem Strahlgenerator, den Fokussiermitteln und den Ablenkmitteln zusammengeschaltet sind.