DE1615199A1 - Vorrichtung zum Verschweissen massiver Bauteile mittels Elektronenbeschuss - Google Patents
Vorrichtung zum Verschweissen massiver Bauteile mittels ElektronenbeschussInfo
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Description
"ΡίρΙ.-lng. R. Beet! U. FlXt-VZhJQBb 14
Dipl.-Ing. Lomprecht
Commissariat a 1'Energie Atomique, Pari s (Frankreich)
Vorrichtung aum Verschweißen massiver Bauteile . mittels Elektronenbeschuß
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Verschweißen durch Elektronenbeschuß, insbesondere
für den Fall, daß. die Bauteile zu massiv sind, um sich in vollem Umfange in einen Vakuumbehälter einbringen zu lassen.
Auf dem Gebiete der Verschweißung solcher Bauteile 1st es bekannt« verschiedene Verfahren, wie etwa das Schweißen
mit elektrischen Lichtbogen, elektrisches Widerstandsschweißen oder Flammschweißen, zu verwenden. Jedoch gibt "es ungeachtet
dessen, daß diese Verfahren im allgemeinen befriedigend arbeiten, bestimmte Fälle, In denen die an die Verschweißung gestellten
Forderungen so hart sind, daß sie sich nur durch Verwendung
von Elektronenbeschuß erfüllen lassen.
Schweißvorgänge durch Elektronenbeschuß vollziehen sich unter Vakuum und gestatten daher ein Schweißen unter Ausschluß
jeglioher Verunreinigung, mit besonderer Reinheit und gegebenenfalls
antspreehend der Regelung der Leistung des Elektronenstrahls
(des Verhältnisses der Leistung des auf die Oberflüche gerloh-
-MH (6) BADORiGWAL
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teten Elektronenstrahls zu dem Querschnitt des Elektronenbiindels)
mit besonders starker Eindringtiefe. So ist es z.B.
bekannt, daß sich mit Leistungen von einigen Kilowatt ohne weiteres Verschweißungen von Stahl mit einer Stärke·von nahezu
50 mm erzielen lassen, wobei die Breite der Schweißraupe 3 mm nicht überschreitet.
Dank der mit diesem Schweißverfahren erzielbaren Konzentration der Energie läßt sich die von einer Längeneinheit der
Schweißraupe abgegebene Wärmemenge auf ein Minimum begrenzen,
so daß Formänderungen und das Schwinden des Materials infolge des Schweißvorganges unvergleichlich geringer werden als bei
den klassischen Verfahren der Bogenschweißung. Außerdem befreit die Form der tief eindringenden Schweißraupe von der Notwendigkeit
einer speziellen Anarbeitung von Kanten an die miteinander zu verschweißenden Bauteile,und gleichfalls gestattet sie möglicherweise
eine Verminderung der Anzahl der Schweißnähte und demzufolge
der anschließenden Kontrollen und Nacharbeitungsvorgänge, die bei den anderen Schweißverfahren erforderlich sind.
In der Praxis wird die Einsetzbarkeit dieses Schweißverfahrens
Jedoch durch den Umstand begrenzt, daß die miteinander zu verschweißenden Bauteile und die Elektronenkanone in einen
evakuierten Behälter eingesetzt werden müssen, durch den hindurch Organe für die Steuerung mechanischer Verschiebungen.für optische
Beobachtungen uaw. einfUhrbar sein müssen, was die Notwendigkeit eines hohen Investitionsaufwandes mit sich bringt, dar umso grtSßer
wird, je massiver die miteinander zn verschweißenden Bauteile
vi*j r«i.a η,
1 0 9 8 3 9 / 0 Ή 8 BAD O
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteilen abzuhelfen, indem sie es gestattet, ohne Mühe und sehr rasch
einen Bruchteil der miteinander zu verbindenden Bauteile, nämlich den Bruchteil, an dem jeweils der Schweißvorgang stattfindet,
unter Vakuum zu setzen.
Die Erfindung hat dementsprechend eine Vorrichtung zum Gegenstand, die sich kennzeichnet durch einen Vakuumbehälter
relativ kleinen Hauminhalts, der auf einem Teil der miteinander
zu verschweißenden Bauteile rund um die Stelle'der herzustellenden
Verbindung angeordnet ist, durch eine sich ebenfalls auf die miteinander zu verschweißenden Bauteile abstützende, im Inneren
des Vakuumbehälters befindliche und dagegen frei verschiebliche Elektronenkanone und durch aufblähbare, sich an die Oberfläche
der Bauteile anschmiegende Abdiohtungsorgane für die Verbindung zwischen dem Vakuumbehälter und den Bauteilen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung IMSt sich dementsprechend
'ohne vorherige gesonderte Bearbeitung auf beliebige, miteinander zu verschweißende Bauteile anwenden, wobei eine absolute Dichtigkeit
des Behälters durch die aufblähbaren Dichtungsorgane gewährleistet wird, die eich der Form der Bauteile genau anschmiegen.
Außerdem wird diese Dichtigkeit in keiner Weise durch den Durchgang der Organe für die Steuerung der Elektronenkanone
unterbrochen, da sich diese Unterbrechung lediglieh auf den
Durchgang von Versorgungskabeln beschränkt und die Bewegung der Elektronenkanone in keiner Weise mit dem Behälter verbunden ist.
BAD OPIiGiNAL 109839/0246 .
Andererseits ist die Elektronenkanone durch ihre Abstützung
auf die Bauteile auf das genaues te zentriert, wodurch sich ohne weiteres eine hohe Genauigkeit für die Ausrichtung des Elektronenstrahles
auf die Schweißnaht, wie sie für ein Verschweißen mittels Elektronenbeschuß erforderlich ist, erzielen läßt.
Eine solche Vorrichtung gestattet es daher, für die Verschweiöung
von Blechen und massiven Bauteilen beste Bedingungen zu erzielen, für die sich die anderen Schweißverfahren wegen
der auf die verschweißten Teile übertragenen Wärmemenge und
wegen der Form der Kanten der erhaltenen Schweißraupen als
XL
unbrauchbar erwiesen haben (wegen übermäßiger Deformationen
nach dem Verschweißen).
K4 *p*t*t*y ^geltere Merkmale der Erfindung lassen sich aus der nachstehenden Beschreibung
einer beispielhaft zu wertenden Ausführungs-/form und aus der Zeichnung entnehmen, in der: ,
Fig. 1 ein Längsschnitt durch eine Schweißvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung
1st;
Fig. 2 ein Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, bei der die miteinander zu verschweißenden
Bauteile Hülsen sind, die nach einem Würfelmuster miteinander verbunden werden müssen;
Fig. 3 einen Querschnitt durch die vorhergehende Vor-"richtung
darstellt;
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Pig. 4 ein Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
Fig. 5 ein Längsschnitt durch eine Vorrichtung gemäß
Fig. 4 ist; und
Fig. 6 ein Längsschnitt durch die zwischen dem Vakuumbehälter und die miteinander zu verschweißenden
Bauteile eingeschobene aufblähbare Dichtung in größerem Maßstab ist.
Das in der Fig. 1 dargestellte AusfUhrungsbeispiel bezieht
sich auf die Verschweißung von Hüllen 1 mit einem perforierten Blech 2 entlang kreisförmiger Trennfugen 8. In diesem Falle
stützt sich ein Vakuumbehälter 11, der durch eine Wand 12 begrenzt wird, die mit einem Aufhängehaken 13 versehen ist und
beispielsweise durch Zugstäbe 14 festgehalten wird, die an fest mit der Wand 12 verbundenen Achsen 24 angreifen und mittels
Soheiben 25 und Schrauben 26 auf der zu verschweißenden Hülse 1
benachbarte Hülsen la drücken, unter Zwischenschaltung einer durch Einfüllen von Wasser aufblähbaren Dichtung 15 auf das
perforierte Blech 2 ab;
Die aufblähbare Dichtung 15, die im einzelnen in Fig. 6
dargestellt ist, weist ein ringförmiges Gehäuse 65 von U-förmigem Querschnitt auf, das beispielsweise mittels Schrauben 66 an der
Wand 12 des Behälters 11 befestigt ist. Oberhalb des zu verschweißenden
Bauteils wird das Gehäuse 65 durch eine ringförmige nachgiebige Membran. 67 von L-förmigem Querschnitt verschlossen, deren
einer Arm mit dem Gehäuse 65 in Berührung steht, während der
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andere zur Abstützung auf dem zu verschweißenden Bauteil bestimmt ist. Die Membran 67 wird zwischen dem Gehäuse 65 und
einem in dessen Innerem befestigten Ring 68 festgehalten, der Düsen, wie beispielsweise 69, für den Einlaß oder den Auslaß
eines Strömungsmediums zum Aufblähen der Dichtung, vorzugsweise von Wasser« trägt.
In gleicher Weise trägt der Ring 68 Speisedüsen für einen
Kühlmittelkreislauf 70, der im Inneren der Kammer 71 angeordnet
68 ist, die von der Membran 67 und dem Ring/begrenzt wird. Ein
zweiter Kühlkreislauf wird auf der Wand des Gehäuses 65 von Kanälen 72 gebildet, die/einen die Wand des die Membran 67
tragenden Gehäuses 65 außen umkleidenden Ring 7? eingearbeitet
sind. Demzufolge befindet sich der zweite Kühlkreislauf 72 im Innern des Behälters 1 und bildet eine thermische Barriere
vor der Membran 67.
Die Membran 67 wird im übrigen durch den Kreislauf 70
auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten. Sie vermag daher ohne weiteres ihre nachgiebigen Eigenschaften beizubehalten
und läßt sich vielmals, ohne ihre Wirksamkeit zu verlieren,
aufblasen und wieder entleeren. Vorzugsweise besteht die Membran 67 aus Neopren oder einem analogen Material, das sich unter
der Einwirkung des Druckes im Inneren der Kammer 71 an alle
Unebenheiten anlegen kann, die an den miteinander zu verschweißenden
Teilen vorhanden sein könne^und auf diese Weise eine vollkommene
Abdichtung zwischen den Bauteilen und dem Behälter gewährleistet.
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Auf diese Weise kann der Behälter 11 unter Vakuum gesetzt
werden.
Außerdem setzt sich die Wand 12 in einer Pumpanlage fort,
die an einem Flansch 16 angeschlossen werden kann,und trägt
ein Beobachtungsfenster 17*
Im Inneren des Behälters 11, der bei der dargestellten Ausführungsform im wesentlichen die Form eines Zylinders aufweist,
ist eine Elektronenkanone 6 unmittelbar auf das Ende eines Tragarmes 5 aufgesetzt, der die gesamte Länge der zu
verschweißenden Hülle I durchsetzt und an beiden Enden dieser Hülle durch zwei feste Zentrlerringe 3 und durch Kugellager
zentriert wird, die seine Drehung in der Hülle 1 zulassen, welche Drehung eine zu dem inneren Umfang der Hülle 1 vollkommen
konzentrische Kreisbewegung der Elektronenkanone 6 hervorruft.
Ein im Inneren des Behälters 11 auf dem Arm 5 sitzender
Motor 7 ermöglicht die Leerlaufsteuerung des Radius dieser
Kreisbewegungj um die Achse des Elektronenstrahls genau mit
der Achse der Schweißnaht 8 zusammenfallen zu lassen.
Am anderen Ende der Hülse 1 ist der Arm 5 beispielsweise
über ein System von Zahnrädern 10 mit einem Motor 9 für die Steuerung seiner Drehbewegung verbunden, der in abnehmbarer
Weise an dem Zentrierring 3 in der Hülse 1 festgeklemmt ist.
Die Hochspannungsversorgung der Elektronenkanone"6 wird
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über zwei Leiter 20 sichergestellt, die auf die gesamte Länge
des Trägers 5 in ein Isoliermaterial eingeschlossen und demzufolge ohne Unterbrechung eingekapselt sind. Die Verbindung
zu einem üblichen Hochspannungsversorgungskabel wird über
einen SpezialStecker 21 gewährleistet.
Eine statische mittels Luft aufblasbare Dichtung 18, die
mit zwei Lippendichtungen 19 zur Gewährleistung der dynamischen Abdichtung kombiniert ist« schließt den Vakuumbehälter 11
zwischen dem rotierenden Arm 5 und der Hülse 1 .ab.
Sobald durch das Einsetzen der Dichtungen 15» 18 und 19
ein vakuumdichter Abschluß des Behälters 11 erreicht ist, kann das Vakuum mit Hilfe der Pumpanlage, die bei 16 angeschlossen
1st, erzeugt und anschließend die Lage der Elektronenkanone 6 durch den Steuermotor 7 eingeregelt werden. Anschließend wird
der Arm 5 in Drehung versetzt^ und der von der Elektronenkanone
6 ausgehende Elektronenstrahl verschweißt die Hülse 1 mit dem perforierten Blech.2. Dank der Zentrierung des Armes 5 in der
Hülse 1 selbst wird eine absolute Genauigkeit der Schweißnaht erreicht, während die absolute Dichtigkeit des Behälters 11
durch des Aggregat aus den aufblähbaren Dichtungen 15 und 18 und durch die Lippendichtungeu 19 selbst dann sichergestellt
wird, wenn das Blech 2, auf dem der Behälter 11 ruht, eine nicht absolut gleichförmige Oberfläche aufweist. Die Wand 12
wird Im Übrigen von keinem Organ durchsetzt, das im Laufe der
Verschiebung der Elektronenkanone 6 die Gefahr einer Ver-BChleohterung der Abdichtung hervorrufen könnte. Das Vakuum in.
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dem Behälter 11 kanu dementsprechend sehr ausgeprägt sein, was
die Verschweißung erleichtert.
Die Flg. 2 und 3 stellen eine andere Ausführungsform im Schnitt dar« bei der die miteinander zu verschweißenden
Bauteile Hüllen 31 sind, die Abstandsplatten 30 tragen, die
entlang zweier zueinander senkrechter Geraden 28 miteinander
und mit Endplatten 27 verschweißt werden sollen.
Ein Vakuumbehälter 36 von im wesentlichen parallelepipedonißcher
Form ist in dichter Weise über die Hülsen j51 oder
mindestens einen Teil davon und über die Blechplatten 27 unter Zwischenlage von Dichtungen 34 gestülpt, die der Dichtung
in Flg. 6 ähneln.
Im Inneren des Behälters 36 ruht eine Elektronenkanone auf einem Schlitten 35» der sich In zwei zueinander senkrechten
Richtungen auf einen festen Träger 33 versohleben läßt, der
eich alt vier Füßen 37 auf den vier Köpfen 31a der äußersten
Hülsen 31 abstutzt. Die Verschiebung des Schlittens 35 wird durch einen Motor 38 gesteuert, der gleichfalls auf dem Träger
ruht. Der Motor 38 wird ebenso wie die Elektronenkanone 32 salbst elektrisch über Kabel 39 bzw. 40 versorgt, die in RotFen
41 und 42 liegen,die über FaltenbBlge 43 mit der Elektronenkanone
32 und dem Motor 38 verbunden sind und die Wand des Behälters in Kugelgelenken 44 durchqueren. Außerhalb des Behälters 36 sind
die Kabel 39 und 40 an einen in der Zeichnung nicht dargestellten
Speisekreis angeschlossen, sie sind jedoch lang genug, um unter verschiebung in den Rohren 41 bzw. 42 die Verschiebung der
Elektronenkanone 32 zuzulassen.
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- ίο -
Im gleicher Weise kann über ein in einem der den Behälter
56 durchquerenden Rohre gleitendes Rohr der Elektronenkanone j>2
ein Kühlmittel zugeführt werden.
Der Verschluß des Behälters 36 und seine Abdichtung werden
vervollständigt durch dicht mit dem Ende jeder Hülse j51 verbundene Stopfen 46. Wie der Behälter 11, so ist auch der Behälter
56 mit einer Pumpanlace verbunden, die in den Fig. 2 und 3
nicht sichtbar ist und weist ein Beobachtungsfenster 47 auf.
Auf diese Weise läßt sich im Innern des Behälters 36 ein
ausgezeichnetes Vakuum erzielen, und die von der Elektronenkanone 32 auegesandten Elektronenstrahlen schaffen nach Maßgabe ihrer
Verschiebung entlang der Trennlinie zwischen den Hülsen 31 eine
wirksame und tiefe Verschweißung.
von ebenen Platten, bedient man sich vorzugsweise einer anderen
Abwandlung einer AusfUhrungsforn der erfindungsgeaäßen Schweißvorrichtung, die in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Dort 1st
ein Behälter 50 von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt auf die beiden Platten 51 und 52, die miteinander verschwelet
werden sollen, zu beiden Seiten ihrer Trennfuge 53 unter
Zwischenlage einer aufblähbaren und kühlbaren Dichtung 54 aufgesetzt, wobei eine Pumpanlage 45 die Evakuierung des Behälters
50 gestattet. Der Behälter 50 wird von einem Querbalkerrxiurohsetzt, der parallel zu der Schweißnaht 53 angeordnet 1st und
wenigstens ein biegsames elektrisches Kabel 58 für die Speisung
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einer Elektronenkanone 57 und von Motoren zur Steuerung der Verschiebung des Schlittens 56, auf demdie Elektronenkanone
ruht, trägt.
Jedes der miteinander zu verschweißenden Bauteile 51 und
trägt eine zu der Trennlinie 55 parallele Sehienenführung, die
auf dem Bauteil 51 aus einer beispielsweise auf gepunkteten Platte 59 und auf dem Bauteil 52 aus einem Stab 60 mit U-förmigem
Querschnitt besteht, der in gleicher Weise aufgeschweißt ist und dessen Dicke im Hittelpunkt gleich der der· Platte 59 1st,
wobei die zu den miteinander zu verschweißenden Flächen der Bauteile 51 und 52 parallele Fläche 6l des Stabes 60 zur
gleichen Zeit bearbeitet wird wie diese. Der Schlitten 56 mit
der Elektronenkanone 57 stützt sich auf einer Seite auf der Platte 59 unter Zwischenschaltung einer Rolle 62 ab, während er
auf der anderen Seite bei seiner Verschiebung durch die eine Schiene bildende Bezugsfläche 6l des Stabes 60 geführt wird.
. Sine sich auf dieser Flache 61 abstützende Rolle 63 gewährleistet dabei die Führung.
Auf diese Weise IKSt sich die Elektronenkanone 57 entlang
der Trennfuge 55 ohne Abweichung davon verschieben, so daß
der Elektronenstrahl ständig genau auf diese Linie ausgerichtet ist. In manchen Fällen kann die Elektronenkanone 57 von einem
mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Pumpanlage verbundenen Gehäuse 6* ungeben sein, das einen Betrieb der
Elektronenkanone 57 unter einem sehr ausgeprägten Vakuum gestattet, während der Behälter sß/unier^einein Vorvakuum steht·.
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Gleichgültig welche Ausführungsforra Verwendung findet, der Vakuumbehälter kann stets mit hoher Wirksamkeit an den
miteinander zu verschweißenden Bauteilen zur Anlage kommen, während sich die Elektronenkanone verschiebt^ interner sich
in gleicher Weise an diesen Bauteilen abstützt, ohne daß Jemals
die Gefahr einer Schädigung der Abdichtung des Aggregats bestünde.
Die erfindungsgemäße Schweißvorrichtung hat außerdem einen sehr kleinen Rauminhalt, sie läßt sich denentsprechend leicht
auf einer Baustelle zur Montage verschiedener Teile transportleren.
Selbstverständlich ist die Erfindung in keiner Weise auf die beschriebenen und gezeichneten Ausführungsformen beschränkt,
die lediglich als Ausführungsbeispiele zu verstehen sind.
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Claims (1)
- Patentansprüche1. Vorrichtung zum Verschweißen massiver Bauteile mittels Elektronenbeschuß, gekennzeichnet durch einen Vakuumbehälter (11,56,50) relativ kleinen Rauminhalts, der auf einem Teil der miteinander zu verschweißenden Bauteile (1 und 2) rund um die Stelle der herzustellenden Verbindung (8) angeordnet ist, durch eine sich ebenfalls auf die miteinander zu verschweißenden Bauteile (1 und 2) abstützende, im Inneren des. Vakuumbehälters (11,36,5O) befindliche und dagegen frei versohlebliche Elektronenkanone (6) und durch aufblähbare, sich an die Oberfläche der Bauteile (l und 2) anschmiegende Abdichtungsorgane (15) für die Verbindung zwischen dem Vakuumbehälter (ll>36,50) und den Bauteilen (1 und 2).2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch an den Offnungen für dl· miteinander verschweißenden Bauteile (1 und 2) angeordnete Dichtungen (18,19,46) für den vakuundiohten Verschluß d·· Vakuumbehältere (11,36).3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß d» aufblasbare Dlohtung (15) eine nachgiebige ringförmige Heabran (67), djp| an einem starren Ring (68) befestigt 1st und zusammen mit diesem eine Druckkammer (71) begrenzt, und einen Kühlmittelkreislauf (70) im Inneren der Kammer (71) aufweist.10^839/02464. Vorrichtung nach Anspruch j$, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (67) und der Ring (68) im Inneren eines Gehäuses (65) von U-förmigem Querschnitt liegen, dessen vierte Seite die Membran (67) bildet und das an dem Vakuumbehälter (11,36,50) befestigt ist.5· Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der nachgiebigen Membran (67) und de» Inneren des Vakuumbehälters (11,56,50) ein zweiter Kühlkreislauf (72) angeordnet 1st.6..Vorrichtung nach Anspruch 5 zum Schweißen längs eines Kreises, gekennzeichnet durch einen in dichter Weise rund um das zu verschweißende Rohr (1) angeordneten zylindrischen Behälter (11), durch eine auf einem In dem Rohr (1) zentrierten Speisearm (5) sitzende Elektronenkanone (6), durch Abdichtungsorgane (18,19) für den Arm (5) gegen das Rohr (1), durch Mittel *(9,10) zur Steuerung der Drehbewegung der Elektronenkanone (6) im Inneren des Behälters (Ii) rund um die Achse des Arnes (5) und des Rohres (1) von dem dem Arm (8) gegenüberliegenden Ende des Behälters (11) aus und durch Mittel (7) zur Steuerung der Lage der Elektronenkanone (6) im Innern des Behälters (11).7· Vorrichtung nach Anspruch 5 zum Schweißen längs einer Geraden, gekennzeichnet durch einen in dichter Weise rund um die Verbindungslinie der Bauteile (50) befestigten Behälter (36) von in wesentlichen parallelepidonaler Form, durch einen auf die Bauteile (30) im Inneren des Behälters (36) abgestutzten Träger(55)* durch einen selbstfahrenden Schlitten (35) als.Träger für die Elektronenkanone (32), der sich längs mindestens zweier zueinander und zu dem Träger (33) senkrechter Richtungen verschieben läßt, und durch Kugelgelenke (44) für den Durchtritt von Speiseleitungen (39 und 4o) für den Schlitten (35) und die Elektronenkanone (32) durch die Wand des Behälters (36).8. Vorrichtung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch einen in dichter Weise auf den miteinander zu verschweißenden Bauteilen (51 und 52) befestigten Behälter (50) von rechteckigem Querschnitt, durch eine fest mit Jedem der Bauteile (51 und 52) befestigte, zu der Schweißnaht parallele Schienenführung (59 und 60), durch einen auf der Schienenführung (59 und 60) beweglichen selbstfahrenden Schlitten (56) als Träger für eine Elektronenkanone (57) und durch Speisekabel (58) für den Schlitten (56) und die Elektronenkanone (57)« die abgeknickt an einem Querbalken (55) in den Behalter (50) aufgehängt sind.109839/02A6
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |