SE429932B - Elektronsvetsforfarande for detaljer med delningsplan i en tryckomgivning av 10 mbar och derover - Google Patents

Description

15 V 20 '25 iso 19os21z-vi Under det att vid elektronstrålsvetsning i fint och högt vakuum djup-breddförhâllandet för svetssömmen kan sträcka sig till 50:1, är det-i normalfallet så, att med den i 'atmosfären utträdande elektronstrålen kan man uppnå djup- -breddförhållanden av maximalt 4:1.

Elektronstrålsvetsning under atmosfäriska förhållanden har den stora fördelen, att stora och/eller komplicerat utformade detaljer kan svetsas, utan att det krävs en vakuumkammare mot motsvarande dimensioner. Härvid tänker aman särskilt på längdsvetsning av rör och svetsning av enstaka rörstycken. För att vid sådana detaljer kunna bortse från vakuumkammare med stora volymer är det också känt att sätta in elektronstrålkanoner, som är avtätade relativt detaljens yta medelst en tätningslist eller en speciellt utformad tryckstegsram, varigenom bildas ett rum av begränsad storlek för utformning av ett tillräck- ligt vakuum; Kostnaderna för en sådan lösning är dock be- tydande och har av den anledningen inte funnit någon nämn- "värd användning (DE-AS 15 15 201).p Föreliggande uppfinning har därför som ändamål att anvisa ett förfarande, varmed djupsvetsningar under tryck av mer än 10 mbar, särskilt under atmosfäriska förhållanden är genomförbara utan att komplicerade anordningar behöver an- vändas. Med uttrycket djupsvetsningar skall förstås såda- na elektronstrâlsvetsningar, genom vilka detaljer förbin- -das medelst djupa och smala svetssömmar med ett djup- ebreaaförhållanae av 2o=1 och aäröver; ' VcDet uppställda problemet löses genom det nya förfarandet därigenom, att man innan sammansvetsningen bearbetar detal- jerna i området för det vid sammanfogningen bildade del- ningsplanet och att bearbetningen sker parallellt med det- ta delningsplan och på så sätt att i delningsplanet bildas styrytor för elektronstrålen, vilka förlöper symmetrisktd med elektronstrålen och vilka uppvisar ett sådant inbördes 10 20 25 30 790821:-7 avstånd att de divergerande elektronerna träffar dem un~ der.en spetsig vinkel och därifrån reflekteras och kon- centreras i riktning mot detaljerna och genom vilka sam- tidigt fritt tillträde till den omgivande atmosfären re- duceras, varvid styrytorna bildar en spalt och att man vid svetsningen först sammansvetsar den outvidgade delen av delningsplanet och sedan spalten under användande av tillsatsmaterial.

Elektronreflexionen och den samtidiga gasavskärmningen uppnås på särskilt enkelt och verkningsfullt sätt däri- genom, att styrytorna förlöper parallellt och symmetriskt med strålningsaxeln och uppvisar i strålningsriktningen en längd av åtminstone 10 mm, företrädesvis åtminstone 20 mm, och att styrytornas avstånd diametralt mot elek- tronstrâlen är större än stråldiametern omedelbart efter strâlens inträde i området med högre tryck.

Dylika styrytor kan åstadkommas resp. framställas på oli- ka sätt. Först är det möjligt att som styrytor utnyttja detaljernas väggdelar, som genom utvidgning av delnings- planet över en del av detaljtjockleken bildar en spalt och att man först svetsar delningsplanets outvidgade del och därefter spalten under användande av tillsatsmaterial.

Med andra ord, detaljerna underkastas vid delningsplanet ett ytterligare bearbetning, genom vilken en del av detal- jens material avlägsnas, så att en smal spalt uppstår, vilken sträcker sig över en del av detaljens tjocklek, varvid denna del vid tjocklekar över 50 mm är mindre än hälften av detaljens tjocklek och är företrädesvis ungefär 1/4 - 1/3 av detaljens tjocklek. Vid den resterande delen av detaljtjockleken sker en konventionell stumfogning.

'Det är dock möjligt att framför delningsplanet, i strål- riktningen sett, anbringa en särskild kropp, som utgör en del av anordningen, som godtyckligt ofta kan användas och som uppvisar styrytor. Genom den uppfinningsenliga åtgär- 10 20 lzs 30, 79-08213-7 I >den.resp. motsvarande medel lyckades det att på nytt sty- ra den i området för högre tryck, särskilt atmosfärstryck, utträdande strålen på vägen till detaljerna, att koncent- rera strålningen och att vittgående förhindra spridning. Ûppfinningen utnyttjar den effekten, att elektronerna, då de stryker mot väggytorna, till en mycket hög procentsats reflekteras förlustfritt. Härtill kommer att elektronstrå- len, efter det att den kommit in i området för det förhöj- da trycket tränger undan luftmolekylerna i kärnan och bil- 'dar en kanal med mycket liten gastäthet fram till detaljen.

Denna effekt är mer utpräglad ju högre elektronstråleeffek-, ten är. Bildandet av denna kanal motverkas åter av den fritt tillströmmande omgivningsatmosfären. Den uppfinnings- enliga lösningen har ytterligare den verkan, att omgiv- ningsatmosfären inte obehindrat får tillträde till styr- ytorna. Därigenom främjas ytterligare kanalbildningen. Ävskärningen relativt omgivningsatmosfären kan vid utform- ningen av styrytorna som begränsningsytor till en med del- ningsplanet parallell spalt ytterligare ökas väsentligt, om man i spalten framför och bakom elektronstrålen åstad- kommer en luftuppvärmning genom ytterligare energikällor, företrädesvis plasmabrännare. _Med uttrycket "spalt" skall i detta sammanhang förstås samtliga hâlrum, som begränsas av väsentligen parallella, - mitt emot varandra belägna väggar och som sträcker sig y över åtminstone en dellängd av delningsplanet. Vidare skall under detta uttryck förstås, särskilt vid anbringandet av en särskild kropp framför delningsplanet, i denna kropp anordnade slitsar, vars längd är begränsad av tvärväggar, som förbinder de parallella väggytorna vid slitsens ände med varandra.

Man har helt överraskande funnit, att man vid utnyttjandet fav den uppfinningsenliga lösningen kunde upphäva hittills- _ varande användningsbegränsningar av elektronstrålsvetsnin- 10 15 20 25' 30 35 79082134 gen under förhöjt tryck upp till atmosfärstryck. Således visade det sig, att man med en elektronstråle med en ef- fekt av 25 kw och med en accelerationsspänning av 200 kW vid en svetshastighet av 60 mm/min. kunde uppnå ett svets- sömdjup av 75 mm vid en maximal sömbredd av 4-6 mm. vid betydande ökning av användningsbredden ändras svetssöm- kvaliteten i området för den under vakuum uppnâbara söm- kvaliteten.

Det uppfinningsenliga förfarandet är särskilt intressant för s.k. tjockväggsvetsning. Härvid rör det sig mestadels om svetsning av stora behållare med tjocka väggar. De hit- intills för sådana bearbetningar erforderliga och ovan be- skrivna tätningslisterna eller tryckstegsavskärmningarna erfordras inte längre vid det uppfinningsenliga förfaran- det, varigenom de för svetsanordningen erforderliga kost- naderna kan reduceras betydligt. Tryck mellan 10 mbar och knappt under atmosfärstryck kan naturligtvis bara uppnås medelst en kammare och en tryckstegsram (relativt detal- jerna) samt medelst en tryckstegssträcka relativt katod- rummet, dock att de i detta tryckområde utnyttjade kons- truktion och förfaringstekniska åtgärderna blir betydligt enklare att bemästra än i vanliga fin- och högvakuum.

Särskilt intressant är användningen vid sammansvetsning av pipe-lines.

Ytterligare kännetecken i anslutning till det nya förfa- - randet framgår av den efterföljande beskrivningen av ett utföringsexempel och hänvisning sker till bifogade ritnin- gar, där Fig. 1 är ett längdsnitt genom en elektronstrålkanon i förbindelse med två för sammanfogning avsedda de- taljer, vid vilka styrytorna bildas genom en bredd- ning av delningsplanet i detaljerna själva; Fig. 2 är ett snitt i rät vinkel mot fig.1 med en till- ordnad plasmabrännare, vars plasmasträcka når in i spalten framför och bakom elektronstrâlen. 10 15 20 25 30 7:908213-7 I fíg. 1 visar en elektronstrålkanon 1 av konventionellt slag, som uppvisar ett hölje 2, som medelst väggar 3 och 4 är uppdelat i tre kammare 5,6 och 7. Kamrarna är åt- nu skilda genom sugledningar 8,9 och 10 och dessutom evaku- erbara i olika tryck, varvid det lägsta trycket i allmän- het bildas i kammaren 5.

I kammaren 5 är inom en strålbildande elektrod 11 (styr- elektrod) anordnad en direkt upphettad katod 12. Högspän- ning och värmespänning tillföres elektrodsystemet genom ledningar 13,14 och 15.

Katoden 12 bildar under drift en elektronstråle 16, som förlöper i kanonaxelns riktning. Vid motsvarande genom- 7 strömningsställen finns inom höljet 2 och väggarna 3 och 4 trånga genomströmningsöppningar 17,18 och 19 och dessa öppningar kan också betecknas som dysor§ Genomströmnings- öppningarna bildas tillsammans med kamrarna 5,6 och 7 en så kallad tryckstegssträcka, som upprätthåller vakuumet i kammaren 5 relativt atmosfären. Väggen 3 har dessutom funktionen av en accelerationsanod. I kammaren 7 är en fokuseringslins 20 anordnad.

Elektronstrâlen 16 kommer ut ur genomströmningsöppningen 19 och har av ovan angivna orsaker en tendens till strål- spridning. Under genomströmningsöppningen 19 finns på ett avstånd A (åtminstone 10 mm, företrädesvis åtminstone 20 mm) tvâ för sammanfogning avsedda detaljer 21 och 22 med en detaljtjocklek B. Dessa detaljer skarvas i ett delningsplan 23 med höjdutsträckningen C. Resten av det ursprungliga delningsplanet breddas genom materialbort- tagning till djupet D till en spalt 24, varvid förhållan- det D:B bör ligga mellan 1:10 och 1:2.

De sig parallellt med delningsplanet 23 sig sträckande begränsningsväggarna för spalten 24 utgör styrytor 25 7 resp. 26 för den på detta ställe obetydligt divergerande 10 15 20 25 30 35 7908-213- 7 elektronstrâlen 16. Styrytornas 25 och 26 avstånd diamet- ralt mot elektronstrålen 16 är större än strâldiametern omedelbart efter utträdet ur genomströmningsöppningen 19.

Den optimala spaltbredden kan lätt uppnås genom utprov- ning, varvid som utgångspunkt bör beaktas, att elektro- nerna i kantområdet av den särade elektronstrålen skall träffa styrytorna under möjligaste spetsiga vinkel, vari- genom optimal reflexion uppnås. I allmänhet ligger spalt- bredden E mellan en och fem millimeter. Vid svetsproces- sen förfares så, att, som framgår av fig.1, detaljerna först svetsas i delningsplanets 23 område, d.v.s. inom dimensionen “C“ (utan tillsatsmaterial), varpå spalten 24 under utnyttjande av tillsatsmaterial utfylles och svet- sas igen.

I fig. 2 är inlagt ett snitt längs delningsplanet 23 (fig.1), så att blott en av de båda detaljerna samt styr- ytan 25 hos spalten 24 är synliga. I svetsriktningen, pi- len 33, är energikällor 33 och 34 anordnade framför och bakom elektronstrålen 16 och över spalten 24 och dessa energikällor är i föreliggande fall plasmabrännare. Plas- matrådar 36 och 37 riktas in i spalten 24 och genom vilka en luftuppvärmning uppnås. På detta sätt bildas plasma- gardiner, som förhindrar att luft ostört kan strömma in i spalten 24. Således avskärmas elektronstrålen 16 verk- samt mot omgivningsatmosfären. Energikällorna bildar fram- för och bakom elektronstrålen 16 tryckfall, så att ett trycksprâng i närheten av elektronstrålen undvikes.

Exempel Vid ett svetsförfarande enligt fig.1 bestod de båda detal- jerna 21 och 22 av plattor av ett högvarmfast stål och be- satt en tjocklek B av 100 mm. Spaltdjupet D uppgick till 25 mm och spaltbredden E till 5 mm. Detta gav en utvidgning C hos delningsplanet 23 uppgående till 75 mm. Med en elek- tronstråle med 25 kW effekt och en accelerationsspänning av 200 kW svetsades de båda detaljerna med en svetshastig- het av 60 mm/min. Undersökningar av den färdiga svetssöm-

Claims (4)

1. 6 15 .ZQ 25 30 19oá21z-7 men visade, att skarven över delningsplanets (svetssöm- men) hela djup var jämförbar med en under vakuum fram- ställd svetssöm över detaljernas hela längd. Spalten 24 tillsvetsades efteråt under tillsats av kompalibelt svets- material. På detta sätt lyckades det att förbinda detaljer med en tjocklek av 100 mm på ett otadligt sätt. Svetssömmen hade i området för det tidigare delningsplanet 23 en maxi- mal Bredd av fyra - sex millimeter, så att bredd-djup- förhållandet som ursprungligen uppnåddes endast under va- kuum, praktiskt taget kunde uppnås i full utsträckning. P a-t e n t k r a v- 1;- Elektronsvetsförfarande för detaljer med delningsplan i en tryckomgivning av 10 mbar och däröver, särskilt vid- atmosfärstryck, under användande av en elektronstrålkanon, som alstrar en fokuserad elektronstråle och som sänder ut denna genom den yttersta utlcppsöppningen till en tryck- stegsträcka i omgivningen med högre tryck, k ä n n e - t e cnk nya t av att man innan sammansvetsningen bearbe- -tar detaljerna (21,22) i området för det vid sammanfognin- Igen bildade delningsplanet (23) och att bearbetningen sker parallellt med detta delningsplan och på så sätt att i del- ¿.ningsplanet bildas styrytor (25,26) för elektronstrâlen (16),.vilka förlöper symmetriskt med elektronstrålen och vilka uppvisar ett sådant.inbördes avstånd att de diverge- rande elektronerna träffar dem under en spetsig vinkel och därifrån reflekteras och koncentreras i riktning mot detal- jerna och genom vilka samtidigt fritt tillträde till den omgivande atmosfären reduceras, varvid styrytorna (25,25) bildar en spalt (24) och att man vid svetsningen först sam- mansvetsar den outvidgade delen av delningsplanet och sedan spalten (24) under användande av tillsatsmaterial. Ä 10 15 7908213-v

2. Elektronsvetsförfarande enligt kravet 1, k ä n n e - t e c k n a t av att styrytorna (25,26) förlöper parallellt och symmetriskt med strâlningsaxeln och uppvisar i strål- ningsriktningen en längd av åtminstone 10 mm, företrädes- vis åtminstone 20 mm, och att styrytornas (25,26) avstånd diametralt mot elektronstrâlen (16) är större än stråldia- metern omedelbart efter strålens inträde i omrâdet med hög- re tryck.

3. Förfarande enligt kraven 1 och 2, k ä n n e t e c k - n a t av att vid utformningen av styrytor (25,26) som be- gränsningsytor för en med delningsplanet (23) parallell spalt (24) genomföras i spalten framför och bakom elektron- strålen en luftuppvärmning genom ytterligare energikällor (33,34).

4. Förfarande enligt kravet 3, k ä n n ett e c k n a t av att som energikällor (33,34) användes plasmabrännare.