DE2924003A1

DE2924003A1 - Verfahren zur elektronenstrahl- nahtschweissung

Info

Publication number: DE2924003A1
Application number: DE19792924003
Authority: DE
Inventors: Tony Medlar
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1978-06-16
Filing date: 1979-06-13
Publication date: 1979-12-20
Also published as: DE2924003C2; US4263496A

Description

Patentanwälte D i ρ I.-1 η g. C u rt Wa 11 a c h

Dipl.-lng. Günther Koch

_ Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 13- Juni 1979

Unser Zeichen: 16 649 -

Anmelder: Rolls-Royce Limited

65 Buckingham Gate
London SWlE 6AT
England

Bezeichnung: Verfahren zur Elektronenstrahl-Naht s chwei Bung

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Sie Erfindung bezieht sich auf ein Elektronenschweißverfahren und insbesondere auf ein Verfahren zur Steuerung des Elektronenstrahls, mit dem die Schweißung bewerkstelligt wird.

Es ist bekannt, eine Nahtverschweißung der metallischen Bänder zweier Werkstücke dadurch zu bewirken, daß mit hoher Geschwindigkeit ein konstanter ElektronenstrOai durch die Stoßflache der- Bänder hindurchgeschickt wird, während eine Linearbewegung zwischen den zu verschweißenden Metallen und der Strahlquelle, aus der der Strahl austritt, bewirkt wird. Ein solches Verfahren ist für die meisten Metalle geeignet. Hoch zerreißfeste Stähle und Legierungen auf Nickelbasis, wie sie beispielsweise bei Gasturbinentriebwerken Anwendung finden, besitzen jedoch physikalische und metallurgische Eigenschaften, die es erforderlich machen, den Elektronenstrahl längere Zeit verweilen zu lassen als dies bei anderen Metallen erforderlich ist, damit eine volle Durchdringung erfolgen kann. Es wird deshalb äußerst wichtig, den Strahl derart zu steuern, daß er nicht so lange verweilt, daß eine zu große Menge von Metall nach unten ausläuft bzw. sich ausbeult oder zu schnell entfernt wird, oder daß eine zu schnelle Abkühlung mit einer Bissebildung oder Verzerrung des Werkstücks erfolgt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schweißverfahren zu schaffen, bei welchem der Elektronenstrahl, der aus der Elektronenstrahlschweißquelle austritt, so gesteuert wird, daß hochfester Stahl oder

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Werkstücke auf Nickelbaais zufriedenstellend verschweißt werden können.

Gemäß der Erfindung wird das Verfahren zur Elektronenstrahl-Nahtschweißung zweier Bänder hochfesten Stahle oder von Werkstücken auf Nickelbasis in der Weise durchgeführt, daß ein gepulster Elektronenstrahl der Stoßkante der Sander der zu verbindenden Werkstücke zugeführt wird, wobei gleichzeitig eine Relativbewegung zwischen den Werkstücken und der Elektronenstrahlquelle stattfindet, wobei die Beziehung zwischen der Strahlimpulsfrequenz und der Geschwindigkeit der Relativbewegung so bemessen ist, daß jeder Impuls jenen Bereich des Metalls überlappt, der durch den unmittelbar vorhergehenden Impuls erhitzt wurde.

Torzugsweise wird der Elektronenstrahl so gesteuert, daß er sich auf einem kreisförmigen Pfad um eine feste Achse herum dreht, die auf die Stoßkante ausgerichtet ist.

Vorzugsweise ist der Durchmesser des Kreisbogenpfades etwa gleich doppelt so groß wie die Impulsvorschubstrecke·

Sie Geschwindigkeit der Drehbewegung des Strahls ist so bemessen, daß gewährleistet wird, daß der kreisbogenförmige Pfad innerhalb jener Zeit vollständig beschrieben ist, während der die Eingangsspannung der Elektronenquelle auf dem Maximalwert liegt.

Vorzugsweise wird der kreisbogenförmige Pfad bereite in etwa 20 % jener Zeit durchlaufen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung

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anhand der Pig. 4 bis 12 beschrieben, während die Fig. 1 bis 3 den Stand der Technik repräsentieren. In der Zeichnung «eigen:

Pig. 1 bis 3 Schnittansichten von Yerschweißungen, die

durch Elektronenstrahl-Schweißverfahren bekannter Art hergestellt wurden,

Pig. 4· eine Querschnitteansicht durch eine Schweißstelle, die gemäß der Erfindung hergestellt wurde,

Pig. 5 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 5 gemäß Pig. 4,

Pig. 6 einen Schnitt nach der Linie 6-6 gemäß Pig. 4, Pig. 7 eine Draufsicht auf eine Schweißnaht, die gemäß

einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde,

Pig. 8 einen Schnitt nach der Linie 8-8 gemäß Pig. 7» Pig. 9 eine Ansicht nach der Linie 9-9 gemäß Pig. 8,

Pig. 10 eine schematische Ansicht einer Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung ,

Pig. 11 das Profil der Spannungsimpulse, mit dem der Strahlstrom geändert wird,

Pig. 12 das Profil der Stromimpulse, die zwischen Elektronenstrahlvorrichtung und Werkstück auftreten.

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Zunächst wird auf den Stand der Technik Bezug genommen. Fig. 1 zeigt zwei Werkstücke 10 und 12, die aus einer Legierung bestehen, welche Nickel-Eisen-Chrom-Molybdän-Titan umfaßt. Ihre aneinanderstoßenden Seitenränder sind durch Elektronenstrahlverschweißung verbunden. Das Verfahren benutzt einen einzigen schnellen Durchlauf der Werkstücke und die Strahlleistung genügt, um die Werkstückmetalldicke voll zu durchdringen. Das Ergebnis ist eine Versetzung des geschmolzenen Metalls, wie dies bei 14 angedeutet ist, und zwar in einem Ausmaß, das annehmbar ist, aber die schnelle Erhitzung und Abkühlung des Metalls bewirkt eine Rissebildung, wie bei 16 angedeutet. Demgemäß war das Verfahren nicht geeignet.

Pig. 2 läßt die Ergebnisse nach einem relativ langsamen Durchlauf der Elektronenstrahlvorrichtung durch das Werkstück erkennen. Bei diesem Verfahren sind die Risse infolge der verminderten Rate der Wärmeabfuhr aus dem geschmolzenen Metall vermieden. Das Metall war hier aber so lange im geschmolzenen Zustand gehalten, daß eine übermäßig große Menge von Metall nach unten unter der Schwerkraft versetzt wurde, was zu einem tiefen Kanal 18 und zu einer großen vorstehenden Saht 20 führt.

In Tig. 3 wurde die Schweißung dadurch bewerkstelligt, daß zunächst das Werkstück mit hoher Durchlaufgeschwindigkeit vorgeschoben wurde, was durch das Bezugszeichen 22 angedeutet ist, wodurch die Schweißung nach Fig. 1rmit der Rissebildung erlangt wurde, und danach folgte ein zweiter Durchlauf mit niedriger Geschwindigkeit, wobei die Elektronenstrahlleistung auf einem relativ niedrigeren Leistungewert fixiert wurde, derart, daß bei diesem zweiten

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Durchlauf eine volle Durchdringung der Hetalldicke vermieden wurde. Durch das teilweise Wiedererweichen der Schweißnaht 24 wurden die Bisse ausgefüllt, aber es ergab sich eine gewisse Verzerrung der Werkstücke und eine Versetzung des Metalls konnte auch nicht vermieden werden. Die Gesamtwirkung war demgemäß unbefriedigend.

Nachstehend wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 12 beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, den Elektronenstrahl zu veranlassen, in einem Strahl von Impulsen auszutreten. Die Impulse werden dadurch erlangt, daß intermittierend die negative Vorspannung des Gitters 50 der Elektronenstrahlquelle 52 (Fig. 10) geändert wird. Die Impulsfrequenz wird auf die Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks abgestimmt, mit der das Werkstück an der Elektronenstrahlquelle vorbeibewegt wird, und zwar derart, daß jeder Elektronenimpuls die Metallflache überlappt, die durch den unmittelbar vorhergehenden Impuls geschmolzen wurde, wie dies aus Fig. 5 ersichtlich ist.

Die Energie des resultierenden gepulsten Elektronenstrahls 54 ist derart, daß durch jeden Impuls ein volles Eindringen erlangt wird, wodurch eine örtliche vorstehende Schweißnaht 32 (Fig. 4 und 5) annehmbarer Abmessungen erzeugt wird. Ein nachfolgender Impuls erhitzt einen Teil des vorher geschmolzenen Metalls jedoch wieder und bildet eine weitere örtliche Xahtperle (Fig. 5) neben der ersten Schweißnahtperle· lie weitere ßchweißnahtperle hat etwas größere Abmessungen, wie bei 32 in Fig. 5 dargestellt, obgleich auch in Fig. 5 die Verhältnisse der Übersichtlichkeit wegen übertrieben dargestellt sind. Fig. 4 zeigt

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jedoch, daß durch die lokalisierte Metallversetzung die Gesamtmetallversetzung der Naht um einen beträchtlichen Betrag, d. h. um etwa 50 %_t vermindert werden kann. Außerdem vermeidet das Verfahren jedoch eine zu schnelle Abkühlung des vorher geschmolzenen Metalls und so wird eine Bissebildung vermieden.

Die Erfindung wurde dann weiterentwickelt durch einen erfolgreichen Versuch, die durch die örtliche Versetzung des Metalls erzeugten Schweißnahtperlen überhaupt zu vermeiden. Dieses weitere Verfahren zur Erzeugung einer Schweißnaht ist in den Fig. 7 bis 9, 11 und 12 dargestellt. Hierbei wird der Arbeitsgang zunächst in der beschriebenen Veise durchgeführt und gleichzeitig wird der Strahl um die Längsachse der Strahlquelle 52 gedreht, während die Bewegung des Werkstückes in einer geraden Linie an der Strahlquelle vorbei stattfindet. Die gleichzeitige Drehung des Strahles und Bewegung des Werkstückes relativ zur Strahlquelle ergibt die Spur eines Pfades durch jeden Impuls, welcher Pfad die aus Fig. 6 ersichtliche Form hat. Dies ist in Fig. 7 durch das Bezugsseichen 33 gekennzeichnet. Es wurde jeweils eine Drehung während jedes Elektronenstrahlimpulses durchgeführt und die Anordnung war so getroffen, daß dies während jener Zeitperiode stattfand, bei der der jeweilige Spannungseingangsimpuls zur Strahlquelle einen Spitzenwert hatte, und nicht zu der Zeit, an der der Strom des Elektronenstrahls den Spitzenwert hatte«Der Grund dafür wird aus den Fig. 11 und 12 klar. Fig. 11 zeigt die steuernden Spannungsimpulse 34-, die dem Vorspanngitter 50 der Strahlquelle zugeführt werden, und hier handelt es sich um eindeutige rechteckige Impulse, während die Stromimpulse 36, die von der Strahlquelle ausgehen, in

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ihrer Gestalt etwas unregelmäßig sind. Es ist daher einfacher, einen konstanten Zeit/Spannungs-Wert-Faktor von der Eingangsspannung zu erreichen als einen konstanten Zeit/Strom-Wert-Faktor von dem Strahlstromausgang zu erhalten.

Durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß die folgenden Parameter eine Schweißnaht ergeben, wie sie in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist, d. h. eine gute obere Schweißnaht 40 und annehmbare Schweißnahtperlen 4-2 an der Unterseite und das Fehlen von Bissen. Diese Parameter waren die folgenden:

a) Die Legierung des Werkstücks bestand aus Nickel, Eisen, Chrom, Molybdän und Titan,

b) die eingestellte Leistung betrug 1,3 kW,

c) die Vorschubgeschwindigkeit betrug 6 mm/sec,

d) die Impulsfrequenz betrug 5 Hz für 20 % Spitzeneingangsspannungszeit,

e) der Drehdurchmesser des Strahls betrug 2,5 ■«·

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Claims

Patentenwfilxe Dipl.-Ing. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 1^₀ Juni 1979

Unser Zeichen: 16 649 K/Nu

Patentansprüche

.j Verfahren ztir Elektronenstrahl-Nahtschweißung zweier Bänder von Werkstücken (10, 12), die aus einer hoch streckbaren Stahl- oder Nickellegierung bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein gepulster Elektronenstrahl auf die StoBflache der Sander gerichtet wird, während eine Relativbewegung zwischen de« Werkstück (10, 12) und der Elektronenstrahlquelle durchgeführt wird, wobei die Beziehung zwischen Strahlinipulsfrequenz und Relativbewegungsgeschwindigkeit so gewählt ist, daß jeder Impuls die Metallfläche überlappt, die durch den unmittelbar vorhergehenden Impuls erhitzt wurde.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl so gesteuert wird, daß er sich auf einem kreisförmigen Pfad um eine feste Achse bewegt, die auf die Stoßstelle ausgerichtet ist.

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Kreisbogenpfades im wesentlichen doppelt so groß ist wie die Teilung der Strahlimpulse.

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4-. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Kreisbewegung des Strahls so bemessen ist, daß gewährleistet wird, daß der kreisbogenförmige Pfad innerhalb jener Zeit beschrieben wird, zu der die Eingangs spannung der Elektronenstrahlquelle einen Spitzenwert hat.

5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreispfad in etwa 20 % jener Zeit beschrieben wird.

§09851/08S