DE1257999B - Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten, insbesondere zum Schweissen mittels Elektronenstrahlen ohne Vakuumkammer - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B 23 k

Deutsche KL: 21h-32/20

Nummer: 1257 999

Aktenzeichen: U 9660 VIII d/21 h

Anmeldetag: 23. März 1963

Auslegetag: 4. Januar 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schweißen oder Behandeln von Werkstoffen mit einem Ladungsträgerstrahl im Vakuum, wobei die Abmessungen der Werkstücke die des evakuierten Raumes übersteigen, die Werkstücke nur in einem der Größe des evakuierten Raumes entsprechenden Bereich dem Vakuum ausgesetzt werden und an der Begrenzung des evakuierten Raumes zwischen dem dem Vakuum ausgesetzten Bereich der Werkstücke und dem Außenraum Vakuumdichtungen vorgesehen sind, die eine gegenseitige Bewegung der Werkstücke und des Ladungsträgerstrahles zulassen.

Bisher werden die durch eine Elektronenstrahlbehandlung zu bearbeitenden Werkstücke in einer luftleeren Kammer untergebracht. Das Arbeiten unter Vakuum ist aus verschiedenen Gründen notwendig. Einmal, weil jegliches Gas in der Umgebung des zu bearbeitenden Teils zu Verunreinigungen in dem Werkstück führt. Das andere Mal, weil die Gegenwart von Gas eine Streuung des Elektronen-Strahles bewirkt, wodurch die genaue Bündelung verhindert wird, welche erforderlich ist, um die Arbeit an einer Stelle auszuführen, ohne daß der benachbarte Werkstoff infolge der Wärmeleitung angegriffen wird. Außerdem bewirkt jede Gegenwart von Gas eine schnelle Oxydation und zerstört hierdurch den die Elektronen aussendenden Teil der Maschine. Bei kleineren Teilen ist die Benutzung einer Vakuumkammer annehmbar, jedoch lästig. Für große Teile sind die Kosten für die Kammer und die zugehörigen Vakuumpumpen so hoch, daß das Arbeiten mit Elektronenstrahl unzweckmäßig ist. So wäre es z. B. erwünscht, den Blechkörper, welcher den Behälter oder Kessel einer Rakete bildet, mittels Elektronenstrahles zu schweißen. Dieser Teil hat häufig einen großen Durchmesser und eine große Länge bei nur geringer Wandstärke. Er soll vorzugsweise durch Rollen eines dünnen Bleches zu einem Zylinder und durch Verbinden der Ränder durch Längsschweißung hergestellt werden. Wegen der benutzten Metallarten und der nur geringen Stärke dieser Metalle wäre eine Elektronenstrahlschweißung für diesen Fall das Gegebene.

Bislang war jedoch die Größe der erforderlichen Vakuumkammer derart und die Kammer so kostspielig, daß das Verfahren praktisch unausführbar war.

Es ist bereits bekannt, größere Werkstücke bzw. langgestreckte Profile in Zwischendruckkammern zu bearbeiten, wobei die Profile durch abgedichtete Öffnungen in den Wänden der Vakuumkammer hindurchlaufen.

Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten,
insbesondere zum Schweißen mittels
Elektronenstrahlen ohne Vakuumkammer

Anmelder:

United Aircraft Corporation,

East Hartford, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. W. Kuborn, Patentanwalt,

4000 Düsseldorf, Brehmstr. 23

Als Erfinder benannt:

Edward William Radtke, Bloomfield, Conn.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 28. März 1962 (183 096)

Dieses Verfahren kann jedoch dann nicht angewendet werden, wenn der Durchmesser der Werkstücke so groß ist, daß die Abdichtung Schwierigkeiten bereitet und die Kammer zu groß würde.

Aufgabe der Erfindung ist es dagegen, auch bei sehr großen Werkstücken die Bearbeitung mit dem Elektronenstrahl im Vakuum anzuwenden.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die zu behandelnde oder zu bearbeitende Stelle oder die zu schweißende Naht oder Fuge auf der dem Strahl abgekehrten Seite luftdicht abgedichtet wird und daß sie auf ihrer dem Strahl zugewandten Seite mit einem abdichtenden Band belegt wird, daß sodann die Strahlerzeugungsvorrichtung mit einem Gleitschuh, der die Brennstelle des Strahlenbündels umschließt, mittels Dichtleisten auf die Werkstücke und das Band aufgesetzt wird und weiterhin der durch den Strahlaustrittsraum, durch die Werkstücksoberflächen und durch aufgelegtes Band gebildete Raum evakuiert wird, und daß schließlich die Bearbeitung mit dem Strahl, gegebenenfalls unter Relativbewegung von Werkstücken und Vorrichtung gegeneinander, erfolgt.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht demnach in der Möglichkeit, auch große Werkstücke schnell und relativ einfach durch einen Elektronenstrahl im Vakuum zu bearbeiten.

709 717/501

Wenn beispielsweise der Behälter oder Kessel einer Rakete geschweißt wird, so enthebt die Erfindung der Notwendigkeit des Vorhandenseins einer Vakuumkammer um den Zylinder, indem ein druckdichtes Band über beide Seiten der zu schweißenden Verbindung aufgebracht wird. Die Elektronenstrahlvorrichtung einer Maschine wird mit einem gleitbahnartig ausgebildeten Schuh versehen, welcher so gestaltet ist, daß er an dem Umriß der Oberfläche des Behälters anliegt. Bevor die Vorrichtung über dem Band in die Arbeitsstellung gebracht wird, wird in dem Band an der Stelle, auf welche der Elektronenstrahl zuerst auftrifft, ein kleines Loch bewirkt. Die Vorrichtung (Säule) wird dann gegen das Band angelegt und diese sowie die Verbindungsstelle werden mit einer verhältnismäßig kleinen, der Säule zugeordneten Vakuumpumpe evakuiert. Der Spalt zwischen der Vorrichtung, dem Band und der Oberfläche wird durch eine Gleitdichtung, wie eine Lippendichtung, abgedichtet. Die Oberfläche des Behälters und des Bandes sind vorzugsweise mit Vakuumfett überzogen, um die Dichtung zu verbessern und das Gleiten der Elektronenstrahlsäule am Band zu erleichtern. Während des Schweißens brennen die Strahlen eine Spur in das Band, wenn sie die Naht schweißen und bildet die wandernde Lippendichtung einen luftdichten Abschluß zwischen der Säule und der Schweißung.

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnung beschrieben:

F i g. 1 gibt ein erstes Ausführungsbeispiel in Ansicht wieder;

F i g. 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie 2-2 durch die Vorrichtung nach Fig. 1;

F i g. 3 läßt ein zweites Ausführungsbeispiel erkennen;

F i g. 4 verdeutlicht im Schnitt ein Merkmal der Erfindung, welches mit einer der in den anderen Figuren gezeigten Verkörperungen anwendbar ist;

F i g. 5 gibt in Ansicht noch ein weiteres Ausführungsbeispiel wieder.

In Fig. 1 ist die Elektronenstrahlsäule mit 10 bezeichnet. Die Säule enthält nicht wiedergegebene Mittel zum Aussenden von Elektronen, zum Bündeln der Elektronen zu einem Strahl und zum Beschleunigen des Strahles gegen ein Werkstück. Der in der Säule 10 gebildete Strahl ist mit 12 bezeichnet. Das Werkstück 14, beispielsweise zwei ebene, durch Stumpfschweißen miteinander zu verbindende Platten, ruht auf einem Tisch 16. Der durch das Werkstück 14 gegen den Tisch 16 ausgeübte Druck mag für eine luftdichte Abdichtung ausreichend sein. Die Dichtung kann durch die Verwendung von Vakuumfett verbessert werden. Wenn die Werkstücke andere als ebene Platten, z. B. Hohlkörper mit begrenztem Volumen, sind, so kann die Fuge gegenüber der durch die Elektronenstrahlbehandlung zu bearbeitenden Stelle vorher durch ein anderes Arbeitsverfahren, z.B. durch Lichtbogenschweißen oder auch Löten, abgedichtet werden. Auf die Oberseite der zu schweißenden Fuge wird ein unter Druck verformbares Band 22 aufgebracht. Die Elektronenstrahlsäule 10 ist mit einem Schuh 24 versehen. Der Schuh ist an der Säule mit Schrauben 28 befestigt. Zwischen dem Schuh und der Säule ist ein luftdichter Abschluß durch eine Abdichtung 26 vorgesehen. Ein Schnitt durch den Schuh24 ist in Fig. 2 wiedergegeben. Die Unterkante des Schuhes 24 besitzt eine gleitbahnartige Form und ist im übrigen dem Umfang bzw. Umriß des zu schweißenden Werkstückes angepaßt. Der Schuh 24 wird gegen das Band 22 gelegt unter Abdichtung in dieser Stellung durch eine Dichtung 20, welche die Unterseite des Schuhes völlig umgibt. Die Dichtung 20 gleitet oben auf dem Band 22 und dem Werkstück, während das Vakuum aufrechterhalten wird. Der Gleit- und Dichtvorgang können durch Überziehen des Bandes mit Vakuumfett begünstigt

ίο werden. Eine Lochung kann in dem Band vor dem Einbringen der Säule in die Arbeitsstellung vorgenommen werden. Die Säule und die Fuge werden dann gleichzeitig mit einer nicht wiedergegebenen, der Säule zugeordneten, kleinen Vakuumpumpe luftleer gemacht. Je nach Wahl kann auch die Säule zuerst luftleer gemacht werden. Dann wird mit dem Elektronenstrahl ein Loch in das Band gebohrt und die Fuge luftleer gemacht. Sobald die zu schweißende Fuge bzw. Naht und die Säule luftleer gemacht sind, wird die Schweißung in bekannter Weise vorgenommen, während die Säule auf dem Band entlanggleitet. Der Teil der Fuge bzw. Naht hinter der sich bewegenden Säule ist naturgemäß durch die Schweißung abgedichtet. Die Dichtung 20 drückt gegen die

as Schweißnaht, um Undichtheiten am Schuh 24 zu verhüten.

Fig. 3 gibt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wieder, welches Mittel zur Aufnahme des nicht festgelegten Bandes vor der Elektronenstrahlsäule, wenn diese längs der zu schweißenden Naht bewegt wird, und zum Wiederaufbringen des Bandes hinter der Säule aufweist. In F i g. 3 ist das zu schweißende Werkstück 30 auf einem Tisch 32 angeordnet. Eine luftdichte Abdichtung kann, wie es zu F i g. 1 gesagt ist, zwischen dem Werkstück und dem Tisch erhalten werden, oder es wird ein Stück von unter Druck verformbarem Band verwandt, um die Unterseite der Fuge abzudichten. Die Elektronenstrahlsäule 10 besitzt Mittel 34 zum Bündeln des Elektronenstrahles 12 auf der zu schweißenden Naht. Die Säule 10 besitzt einen dem zu Fig. 1 beschriebenen Schuh gleichen Schuh 24 von einer auf die Oberfläche des Werkstückes passenden Form. Der Spalt zwischen dem Schuh und dem Werkstück an den Seiten des Schuhes ist durch eine nicht wiedergegebene Lippendichtung abgedichtet entsprechend der Dichtung 20 in Fig. I₅ welche auf dem Werkstück gleitet. An dem voreilenden und dem nacheilenden Ende des Schuhes 24 ist die Dichtung durch die Verwendung von plastisch-elastischen Rollen 38 und 40 bewirkt. Ein Band 42, das vorzugsweise aus einem weichen plastisch-elastischen Werkstoff (Elastomer) besteht, der gewebeverstärkt ist, um eine Längsdehnung zu verhindern, wird vor und hinter dem Schuh 24 über die zu schweißende Naht gelegt. Wenn die Vorrichtung und die Naht luftleer gemacht sind, dann wird das plastisch-elastische Band 42 in die Naht durch den Druckunterschied gesaugt und bildet so eine luftdichte Abdichtung. Beim Schweißen der Naht wird die Säule 10 längs des Bandes 42 bewegt. Das Band wird durch die vordere Rolle 38 von dem Werkstück abgenommen und durch die hintere Rolle 40 auf das Werkstück wieder aufgebracht. Zwischen den Rollen bildet das Band eine freie Schleife, die außerhalb des Vakuums oder innerhalb des Schuhes liegen kann. Die Rollen 38 und 40 sind etwas langer als die vordere und die hintere Öffnung des Schuhes 24, damit sichergestellt ist, daß zwischen dem Schuh

und den Rollen kein Spalt entsteht. Es ist notwendig, eine hintere Rolle 40 vorzusehen, um das Band wieder aufzubringen, weil der Querschnitt der Naht zwischen der Stelle, an welcher der Elektronenstrahl zu schweißen beginnt, und der Rolle 40, falls er vorher nicht geschlossen ist, nicht von der Schweiße geschlossen wird. Demzufolge würde das Vakuum in der Säule durch das Eindringen von Luft durch den ungeschweißten Querschnitt zusammenbrechen, wenn das Band nicht wieder auf diesen Querschnitt aufgebracht würde. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 können die Dichtung und das Gleiten durch die Verwendung von Vakuumfett verbessert werden.

Nach Fig. 4 ist es möglich, daß der Elektronenstrahl, wenn ein Band zur Dichtung der Unterseite verwandt ist, das untere Band durchbrennt und hierdurch das Eindringen von Luft in die Naht und die Röhre zuläßt. F i g. 4 zeigt eine Art und Weise der Sicherung gegen ein solches Vorkommnis. In Fig. 4 schweißt der Elektronenstrahl 12, welcher von der Säule 10 ausgesandt wird, eine Naht zwischen den Teilen 50 und 52, die auf den Unterlagen 54 und 56 aufliegen. Die Elektronenstrahlsäule 10 ist gegen die Stücke 50 und 52 und ein Band 58, welches die Oberseite der Naht bedeckt, durch eine Lippendichtung 20 abgedichtet. Eine vorzugsweise aus Metall bestehende und daher mehrfach benutzbare Rinne 62 ist an der Unterseite der Werkstücke so angebracht, daß sie die Naht überbrückt. Um die Rinne 62 gegen die Werkstücke 50 und 52 abzudichten, werden druckverformbare Haftbänder 60 benutzt. Es kann natürlich auch ein einzelnes breites Bandstück an Stelle der in F i g. 4 wiedergegebenen zwei schmalen Streifen verwandt werden. Ebenso ist es möglich, die Streifen 60 zu vermeiden, indem Dichtungen an der Metallrinne dort vorgesehen werden, wo die Rinne an den Werkstücken auf beiden Seiten der Naht anliegt. Auch die Enden der Naht und der Rinne sind durch geeignete Mittel abgedichtet, so z. B. durch Stücke von druckverformbarem Ban«. Ebenso ist der Innenraum der Rinne 62 durch die Naht hindurch vor dem Beginn des Schweißens luftleer gemacht.

Gemäß F i g. 5 wird unter bestimmten Bedingungen das Band auf der der Elektronenstrahlsäule 10 zugewandten Seite des Werkstückes auf eine kurze Strecke hinter der Stelle weggebrannt, wo die Schweißung jeweils beginnt. Wenn die Hinterkante des Schuhes 24 über das so gebildete Loch hinweggeht, dann tritt durch den nicht geschweißten Querschnitt der Naht eine undichte Stelle hinter der Stelle auf, an der die Schweißung beginnt. Diese Undichtheit kann durch die Ausbildung gemäß Fig.5, die eine Abwandlung der in Fig. 3 wiedergegebenen Ausführungsform ist, vermieden werden. Etwa 30 cm Bandvorrat ist auf einer Rolle 80 aufgespult, die in dem Schuh 24 angeordnet ist. Ein Band 82 ist über die zu schweißende Naht von der Vorderkante des Schuhes bis zum Ende der Naht gelegt. Das Band 84 auf der Rolle 80 wird unter der Hinterkante des Schuhes hindurchgezogen und über die Naht bis zum anderen Ende gelegt. Wenn sich die Säule gegenüber dem Werkstück bewegt und die Schweißung vorgenommen wird, so wird das Zusatzband 84 der Spule 80 ausgelegt, um den ungeschweißten Querschnitt der Naht zwischen dem Ausgangspunkt der hinteren Schuhkante und der Stelle abzudichten, an

welcher die Schweißung begonnen hat. Das Zusatzband 84 ist hinreichend lang, um bis über die Anfangsstelle der Schweißnaht hinauszugehen. Von der Stelle aus, wo das Band auf der Spule 80 bis zum Ende der Schweißung verwandt wird, verhindert die Dichtung zwischen der Lippendichtung 20 und der Schweißung das Einbringen von Luft in den Schuh. Selbstverständlich kann mit der Vorrichtung nicht nur geschweißt werden, sondern sie kann auch zu sonstiger Werkstoffbehandlung mit dem Strahl verwendet werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schweißen oder Behandeln von Werkstoffen mit einem Ladungsträgerstrahl im Vakuum, wobei die Abmessungen der Werkstücke die des evakuierten Raumes übersteigen, die Werkstücke nur in einem der Größe des evakuierten Raumes entsprechendem Bereich dem Vakuum ausgesetzt werden und an der Begrenzung des evakuierten Raumes zwischen dem dem Vakuum ausgesetzten Bereich der Werkstücke und dem Außenraum Vakuumdichtungen vorgesehen sind, die eine gegenseitige Bewegung der Werkstücke und des Ladungsträgerstrahles zulassen, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde und zu bearbeitende Stelle oder die zu schweißende Naht oder Fuge auf der dem Strahl abgekehrten Seite luftdicht abgedichtet wird und daß sie auf ihrer dem Strahl zugewandten Seite mit einem abdichtenden Band (22, 42, 58, 82) belegt wird, daß sodann die Strahlerzeugungsvorrichtung (10) mit einem Gleitschuh (24), der die Brennstelle des Strahlenbündels umschließt, mittels Dichtleisten (20) auf die Werkstücke und das Band aufgesetzt wird, daß weiterhin der durch den Strahlaustrittsraum, durch die Werkstücksoberflächen und durch aufgelegtes Band gebildete Raum evakuiert wird, und daß schließlich die Bearbeitung mit dem Strahl, gegebenenfalls unter Relativbewegung von Werkstücken und Vorrichtung gegeneinander, erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke auf der dem Strahl abgewandten Seite luftdicht aufliegen und das abdichtende Band (22) lediglich auf der dem Strahl zugewandten Seite der zu behandelnden Stelle aufgelegt wird und daß der Strahl bei der Bearbeitung das Band (22) durchdringt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (22, 60) auf beiden Seiten der Naht bzw. Fuge vorgesehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (60) auf der Unterseite der Naht bzw. Fuge durch eine angelegte Metallrinne (62) im Abstand von der Naht bzw. Fuge gehalten, jedoch gegen die Werkstückflächen zu beiden Seiten der Naht angelegt wird (Fig. 4).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das auf der dem Strahl zugewandten Seite aufgelegte Band (42) während der Relativbewegung innerhalb des evakuierten Raumes an der Vorderkante der Vorrichtung (10) abgehoben, am Strahl vorbeigeführt und entsprechend dem Arbeitsfortschritt

an der hinteren Kante der Vorrichtung (10) wieder auf die Werkstücke aufgelegt wird (Fig. 3).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stück Band (84) auf den Naht- oder Fugenteil zwischen der Hinterkante der Vorrichtung (10) und der

Anfangsstelle der Schweißung von einer Rolle (80) im Innern des evakuierten Raumes ablaufend aufgebracht wird (Fig. 5).

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Schweißen und Schneiden«, Jg. 13 (1961), H. 9.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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