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Dokumentenidentifikation DE10201828A1 07.08.2003
Titel Verfahren zur Bearbeitung von Bauteilen mittels eines Energiestrahls
Anmelder PRO-BEAM HOERMANN GmbH, 09221 Neukirchen, DE
Erfinder Zenker, Rolf, 09648 Mittweida, DE;
Ahl, Udo, 09117 Chemnitz, DE;
Ptaszek, Tadeusz, 09217 Burgstädt, DE
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Anmeldedatum 18.01.2002
DE-Aktenzeichen 10201828
Offenlegungstag 07.08.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.08.2003
IPC-Hauptklasse B23K 15/00
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bearbeitung von Bauteilen mittels eines Energiestrahls, insbesondere Elektronenstrahl zum Schweißen oder zum Randschichthärten, bei dem der Energiestrahl in einer Einwirkzone auf die Oberfläche auftrifft und entlang der Oberfläche geführt wird, wobei durch gezieltes hochfrequentes Ablenken des Elektronenstrahls wenigstens eine weitere Zone auf das Bauteil einwirkt und die beiden Einwirkzonen zumindest zeitweilig auseinandergeführt werden (Splitting).

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Bauteilen mittels eines Energiestrahls, insbesondere Elektronenstrahls, vor allem zum Schweißen oder zum Randschichthärten, bei dem der Energiestrahl in einer Einwirkzone auf die Oberfläche auftrifft und entlang der Oberfläche geführt wird.

Derartige Verfahren sind für Bauteile einsetzbar, die mit verzweigten Schweißnähten oder Härtebahnen versehen werden müssen. Dies sind Brennstoffzellen, Reformer, Druckmessdosen, Reaktionsbehälter, Formen usw..

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass dicht zu verschließende Bauteile, die von Reaktionsflüssigkeiten oder Reaktionsgasen durchströmt werden, oder unter Über- oder Unterdruck bezogen auf den Atmosphärendruck stehen, mit Lot beschichtet und in Durchlauföfen gelötet werden.

Dabei ist ein hoher Arbeitsaufwand, der aus Profilieren, Lötbeschichten und Löten besteht, nötig. Weiterhin besteht die Gefahr, dass nicht kontrollierbare undichte Stellen, insbesondere in Bereichen, in denen Öffnungen umlötet werden müssen, auftreten.

Darüber hinaus ist bekannt, solche Bauteile umlaufend mit einer Schweißnaht zu versehen. Sind Öffnungen z. B. zur Gas- oder (Reaktions-)Flüssigkeitszufuhr vorgesehen, werden diese in einem zweiten vor- oder nachgeschalteten Schweißvorgang verschlossen.

Eine derartige Vorgehensweise ist zeitaufwendig. Außerdem besteht bei Nahteinläufen und Nahtausläufen immer die Gefahr, dass Undichtheiten auftreten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass entweder eine bereits erkaltete Schweißnaht mit einer noch heißen Schweißnaht verbunden wird und dabei Risse auftreten können oder der Übergang von vorher und danach verschweißtem Bereich nicht einwandfrei erfolgt ist und deshalb Öffnungen oder Poren zurückbleiben können.

Weiterhin kann das Verfahren auch für solche Bauteile verwendet werden, die aus mehreren baugleichen bzw. spiegelbildlichen aufeinanderstoßenden Bauteilen bestehen. Diese sind jeweils durch Schweißen miteinander zu verbinden. Im Bereich der Schweißnähte von derartigen Bauteilen können zusätzliche Öffnungen zu umschweißen sein. Üblicherweise wird dann zuerst das Schweißen der die Bauteile verbindenden Hauptnähte realisiert. Sind im Bereich der Schweißnähte in derartigen Bauteilen zusätzliche Öffnungen zu umschweißen, kommt pro Verbindung jeweils ein weiterer Arbeitsgang hinzu. Häufig wird erst das gesamte Schweißen der die Bauteile verbindenden Hauptnähte und dann das Umschweißen aller Öffnungen oder umgekehrt ausgeführt.

Als nachteilig bei derartigen Verfahren erweist sich, dass sie wegen mehrerer aufeinanderfolgender Schweißprozesse zeitaufwendig sind insbesondere an den Überlappungsbereichen zwischen den Schweißnähten, also den Nahteinläufen und Nachtausläufen die Gefahr von Undichtheiten besteht.

Auch im Falle des partiellen Randschichthärtens wird der Elektronenstrahl für spezielle Aufgaben entlang vorgegebener Bahnkonturen bewegt. Beim Zusammentreffen mehrerer derartiger Bahnen kann es zu ungleichmäßig gehärteten Bereichen kommen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, so dass auch kompliziertere Geometrien schneller bearbeitet werden können, Undichtigkeiten in den Bereichen der Nahteinläufe und der Nahtausläufe bzw. Bereiche unterschiedlicher Härte vermieden werden und die Fertigungssicherheit erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem durch gezieltes, hochfrequentes Ablenken des Elektronenstrahls (Splitting) wenigstens zeitweilig eine weitere Einwirkzone erzeugt wird und die beiden Einwirkzonen zumindest zeitweilig auseinander geführt werden.

Diese Lösung ist zeitsparend und hat den Vorteil, dass im Falle des Schweißens ein zunächst existierendes Schweißbad während der Durchführung des Verfahrens kontinuierlich in zwei Schweißbäder aufgeteilt wird. Desgleichen wird beim Härten eine Härtezone während des Prozesses in mindestens zwei Härtezonen aufgeteilt. Durch das Ablenken des Elektronenstrahls werden die Einwirkzonen jeweils entlang einer zugeordneten Bahn geführt, so dass ein Splitting der Einwirkzonen erfolgt und die EB-Bearbeitung nunmehr in einem Durchlauf ermöglicht. Es wird somit vermieden, dass Risse, Poren und/oder Undichtheiten bzw. Härteschwankungen entstehen.

Von Vorteil kann es zudem sein, wenn die Intensität des Energiestrahls vor dem Splitting in Teilstrahlen im Wesentlichen gleich der Intensität des Energiestrahls während des Splittings ist.

Ebenso kann es von Vorteil sein, wenn die beiden gesplitteten Wirkbereiche entlang zueinander symmetrischer Bahnen geführt werden.

Von Vorteil kann es weiterhin sein, wenn durch Beenden der Auslenkung des gesplitteten Elektronenstrahls die Einwirkbereiche wieder vereint werden. Dadurch lassen sich zwei aufeinander zulaufende Einwirkzonen unter Vermeidung von Undichtigkeiten oder Überlappungseffekten miteinander verbinden, d. h. zum Beispiel Umschweißungen von Öffnungen bzw. gleichmäßig gehärtete Konturen in der Umgebung von Öffnungen herstellen.

Die Nutzung von gleichzeitig mehreren Einwirkzonen, die wiederum durch Splitting in der o. g. Weise zeitweise in ihrer Anzahl jeweils verdoppelt werden, ist ebenfalls von Vorteil.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte gesplittete Bahn eines Elektronenstrahls;

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten gesplitteten Bahn eines Elektronenstrahls;

Fig. 3 Bahnen mehrerer parallel geführter Einwirkzonen eines Elektronenstrahls gemäß Fig. 1; und

Fig. 4 die Bahnen mehrerer gemäß Fig. 2 geführter Einwirkzonen eines Elektronenstrahls. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Elektronenstrahlschweißverfahrens dargestellt. In analoger Weise kann das Verfahren auch für eine Elektronenstrahl- Randschichtbehandlung verwendet werden.

In Fig. 1 wird der Elektronenstrahl senkrecht oder geneigt zur Zeichnungsebene in Pfeilrichtung 13 relativ zum Bauteil bewegt. Im Punkt 1 wird der Elektronenstrahl mittels einer programmierten hochfrequenten Strahlablenkung in zwei Teilstrahlen aufgespaltet (Splitting). D. h., es kommt zu einem kontinuierlichen Übergang von einem in gleichzeitig zwei Schweißbäder, von denen das eine ohne Auslenkung entlang der Schweißbahn 5 weitergeführt wird. Das andere wird entlang der Schweißbahn 6 zunächst seitlich bis zum Punkt 3 ausgelenkt und dann parallel zum ersten Schweißbad bis zum Punkt 4 geführt, anschließend werden beide Schweißbäder wieder im Punkt 2 zu einem Schweißbad zusammengeführt.

In Fig. 2 wird der Elektronenstrahl in Pfeilrichtung 13 relativ zum Bauteil bewegt. Im Punkt 1 wird der Elektronenstrahl wieder mittels einer programmierten, hochfrequenten Strahlablenkung in zwei Teilstrahlen gesplittet. Im Gegensatz zur Fig. 1 werden hier die beiden Schweißbäder gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen symmetrisch ausgelenkt bis zum Punkt 7 bzw. 8. Anschließend werden die beiden Teilstrahlen parallel entlang der Schweißwege 11 bzw. 12 bis zu den Punkten 9 bzw. 10 geführt und anschließend im Punkt 2 wieder einem Schweißbad zusammengeführt.

Die Auslenkung der gesplitteten Teilstrahlen hängt von der Schweißkontur des Bauteils ab. Die Auslenkung kann auch asymmetrisch oder auf gekrümmten Bahnen erfolgen.

In Fig. 3 erfolgt die Strahlführung analog zu Fig. 1. Der Elektronenstrahl wird wiederum in Pfeilrichtung 13 relativ zum Bauteil bewegt. In Fig. 3 werden fünf durch Strahlablenkung gleichzeitig erzeugte Schweißbäder nebeneinander geführt, die zeitweilig jeweils in zwei weitere Bäder gesplittet, also insgesamt in 10 aufgespalten werden. Die Anzahl der Schweißbäder und der gesplitteten Einwirkzone ist hier nur beispielhaft gewählt.

In Fig. 4 erfolgt die Strahlführung analog zu Fig. 2. Auch hier wird der Elektronenstrahl in Pfeilrichtung 13 relativ zum Bauteil bewegt. Allerdings werden hier fünf durch Strahlablenkung gleichzeitig erzeugte Schweißbäder nebeneinander geführt, die zeitweilig jeweils in zwei weiteren Teilbädern gesplittet, also lokal in 10 Bäder aufgespalten werden. Auch hier wurde die Anzahl der Schweißbäder und der gesplitteten Einwirkzone nur beispielhaft gewählt.

Bei dem in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Verfahren ist für den Schweißprozess nur ein Verfahrensdurchlauf notwendig. Weiterhin treten keine zusätzlichen Schwachstellen in Überlappungsbereichen von Schweißnähten auf. Derartige Überlappungsbereiche entstehen sonst z. B. beim Umschweißen von Öffnungen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Gefahr von Undichtigkeiten beseitigt, da die Überlappungsbereiche jeweils durch kontinuierliche Badaufsplittung erzeugt werden, also die gesplitteten Schweißbäder in etwa die gleiche Temperatur aufweisen. Weiterhin gewährleistet das erfindungsgemäße Verfahren kurze Schweißzeiten. Durch die Anwendung des Mehrbahn-Elektronenstrahlschweißens, wie es in Fig. 3 und 4 gezeigt wird, ist eine weitere Verkürzung der Prozesszeiten möglich. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine hohe Verfahrensproduktivität gesichert, wodurch auch die Kosten gesenkt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Bearbeitung von Bauteilen mittels eines Energiestrahls, insbesondere Elektronenstrahls, insbesondere zum Schweißen, oder zum Randschichthärten, bei dem der Energiestrahl in einer Einwirkzone auf die Oberfläche auftrifft und entlang der Oberfläche geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch gezieltes, hochfrequentes Ablenken des Elektronenstrahls (Splitting) zeitweilig wenigstens eine weitere Einwirkzone erzeugt wird und die beiden Einwirkzonen zumindest zeitweilig auseinandergeführt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des in den Einwirkzonen auftreffenden Elektronenstrahls jeweils unterschiedlich ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des in den Einwirkzonen auftreffenden Elektronenstrahls jeweils annähernd gleich ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Einwirkzonen durch den Elektronenstrahl parallel zueinander entlang der Oberfläche bewegt werden.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Einwirkzonen entlang symmetrischer Bahnen (1, 2, 7, 8, 9, 10, 11, 12) geführt werden.
  6. 6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Beenden der Ablenkung des Elektronenstrahls die Einwirkzonen wieder vereint werden.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Ablenken und Beenden des Ablenkens die Einwirkzone entlang einer geschlossenen Bahn (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12) geführt werden.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von mehreren gleichzeitig einwirkenden Schweißbädern diese wiederum in mehrere gesplittete Bäder aufgespalten werden.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren anstelle des Schweißens für eine Randschichtbehandlung, insbesondere das Randschichthärten eingesetzt wird.






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