DE4015956C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dichten Verschließen einer mittels eines Stopfens verschlossenen Kapsel und zum Verbinden der Kapsel mit einem Metallkabel durch Lichtbogenschweißen.

Eine derartige Kapsel ist beispielsweise in der US-Pa­ tentschrift 48 61 520 beschrieben; sie wird mit radioak­ tiven Pellets gefüllt, mit einem Stopfen verschlossen, und anschließend wird der Stopfen mit der Kapsel durch Elektronen- oder Laserstrahlschweißen verbunden. Danach wird ebenfalls mittels Laser- oder Elektronenstrahl das Kabel mit dem Stopfen verschweißt. Da der Durchmesser derartiger Strahler, die in der medizinischen Strahlentechnik in Nachladegeräten eingesetzt werden, bei 1 bis 3 mm liegt, ist es schwierig, die Schweißverbindung so herzustellen, daß sie den Vorschriften bezüglich Abreißfestigkeit genügt. Hierzu müssen die Kapsel, der Stopfen und das Kabel in Haltern gegeneinander geführt und während des Schweißvorgangs um 360° gedreht werden, damit die Schweißnaht den gesamten Umfang der Kapsel umfaßt und einen absolut dichten Anschluß gewährleistet. Das Elektronenstrahlschweißen muß zudem unter Vakuum durchgeführt werden. Ein derartiges Schweißen ist daher langwierig und kostspielig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dichten Verschließen einer bei­ spielsweise mit Pellets aus radioaktivem Material gefüll­ ten metallischen Kapsel und zum Verbinden der Kapsel mit einem flexiblen Metallkabel zu schaffen, das sich einfach und kontrolliert, d. h. reproduzierbar, durchführen läßt, einen geringen Zeitaufwand erfordert und zu einer Kosten­ verminderung führt.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in der Anwendung des Bolzenschweißverfahrens mit Kondensator­ energie zum dichten Verschließen einer mit radioaktiven Pellets gefüllten, mittels eines Stopfens verschlossenen und mit diesem verpreßten metallischen, länglichen Kapsel von 1 mm bis 3 mm Durchmesser und zum Verbinden der Kap­ sel mit einem Metallkabel in einem Arbeitsgang durch Zün­ den eines Lichtbogens durch Entladen eines Kondensators zwischen einer Zündspitze an dem Stopfen und dem Kabel­ ende, Anschmelzen des Kabelendes, des Stopfens und des Kapselendes und Zusammenführen der angeschmolzenen Enden des Kabels, des Stopfens und der Kapsel bis zum Abkühlen und Erstarren der Schweißverbindung.

Der Schweißvorgang verläuft in der Weise, daß ein Konden­ sator aufgeladen wird und die Pole des Kondensators mit den zu verschweißenden Teilen elektrisch verbunden wer­ den. Die zu verschweißenden Teile werden aufeinanderzu­ bewegt, wobei entweder die Spannung an den beiden Teilen bereits anliegt, bevor die Zündspitze des einen Teils mit dem anderen Teil in Berührung kommt, oder aber die Span­ nung des Kondensators wird angelegt, nachdem die Zünd­ spitze das andere Teil bereits berührt. In beiden Fällen fließt ein hoher Strom durch die Zündspitze, die schmilzt und verdampft, so daß ein Spalt entsteht, in dem sich der Lichtbogen bildet. Dieser Lichtbogen bewirkt das Schmel­ zen der Enden der miteinander zu verbindenden Teile und erlischt, wenn die Enden einander berühren und das Schweißgut ineinander fließt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Bewegung unterbrochen, so daß sich die Schmelze ab­ kühlt und erstarrt.

Das Bolzenschweißverfahren mit Kondensatorenergie ist an sich bekannt und beispielsweise in der Zeitschrift "Schweißen und Schneiden", 1971, Seiten 8 bis 12, be­ schrieben. Das Verfahren wurde indessen zum Verschweißen von Bolzen größeren Durchmessers, im beschriebenen Fall mit 6 mm Durchmesser, mit Blechen, im beschriebenen Fall einem Blech von 2 mm Dicke, entwickelt und untersucht. Dieses bekannte Bolzenschweißverfahren ist jedoch nicht ohne weiteres zum Verschweißen von sehr kleinen Kapseln, Stopfen und Kabel geeignet, da hier die Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Schweißung sehr hoch sind, um eine dichte Verbindung zwischen Stopfen und Kapsel und eine reißfeste Verbindung zwischen Stopfen, Kapsel und Kabel zu gewährleisten. Diese Reproduzierbarkeit ist näm­ lich nur gegeben, wenn eine Vielzahl von Parametern, seien es elektrische Werte oder mechanische Vorgaben wie Geschwindigkeiten und Beschleunigungen exakt eingehalten werden. Auch der zeitliche Ablauf muß reproduzierbar sein.

Um zu verhindern, daß das Schweißgut oxydiert, kann das Schweißen unter Schutzgas ablaufen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schweißvorgang ge­ steuert so abläuft, daß die zu verschweißenden Teile auf­ einander zu bewegt werden, mit dem Zünden des Lichtbogens ein Zeitelement eingeschaltet wird, die Bewegung während der Anfangsphase des Schweißens nach Zünden des Lichtbo­ gens so gesteuert wird, daß die Lichtbogenstrecke in Abhängigkeit vom Abschmelzvorgang gleich bleibt, dann die Bewegung kurz beschleunigt wird, so daß sich die ge­ schmolzenen Enden berühren, das Schweißgut ineinander fließt und der Lichtbogen erlischt, daß die Bewegung un­ terbrochen wird ohne daß sich eine Wulst oder Einschnü­ rung bildet bis die Schweißnaht abgekühlt und die Schmelze erstarrt ist.

Durch einen derartig gesteuerten Schweißverlauf läßt sich ein kontrolliertes und reproduzierbares Verschweißen der Kapsel mit dem Stopfen und des Stopfens mit dem Kabel er­ reichen, das allen Anforderungen gerecht wird.

Die Ladespannung des Kondensators kann bei etwa 40 V lie­ gen, während der Stromimpuls beim Zünden durch einen Vor­ widerstand auf etwa 250 A begrenzt sein sollte. Mit die­ sen Werten läßt sich trotz der Kleinheit der Teile ein kontrolliertes Verschweißen durchführen, ohne daß die ra­ dioaktiven Pellets in Mitleidenschaft gezogen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Manipulator zum dichten Verschließen einer mit ra­ dioaktiven Pellets gefüllten, mittels eines Stopfens ver­ schlossenen und mit diesem verpreßten metallischen, läng­ lichen Kapsel von 1 mm bis 3 mm Durchmesser und zum Ver­ binden der Kapsel mit einem Metallkabel in einem Arbeits­ gang aus einer ferngesteuerten, mit einem Pol des Konden­ sators verbundenen Kabelspannzange, einer koaxial dazu auf einem Schlitten angeordneten und verschiebbaren, mit dem anderen Pol des Kondensators verbundenen Kapselspann­ zange, einem Verschiebeantrieb für die Kapselspannzange sowie einem Steuergerät mit einem Zeitelement zum Betäti­ gen des Verschiebeantriebs und Aufeinanderzubewegen der Kapsel mit Stopfen und Zündspitze gegen das Kabel bis zum Zünden des Lichtbogens, Steuern der weiteren Bewegung, so daß die Lichtbogenstrecke gleichmäßig brennt, bis die Enden der Kapsel mit dem Stopfen und des Kabels ange­ schmolzen sind, Beschleunigen bis zur Berührung der ange­ schmolzenen Enden und Beenden der Bewegung, so daß sich der Schweißbereich über die gesamte Fläche der Enden der Kapsel mit Stopfen und des Kabels erstreckt, sich jedoch kein Wulst und keine Einschnürung im Schweißbereich bil­ den.

Im Bereich der Spannzangen kann eine Abdeckhaube mit ei­ ner Schutzgaszufuhr angeordnet sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Kapsel mit Stopfen vor dem Verschweißen mit einem Kabel,

Fig. 2 eine mit dem Stopfen und dem Kabel verschweißte Kapsel und

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens.

Die Kapsel 1 besitzt ein abgerundetes geschlossenes Ende und einen Hohlraum, in dem sich Pellets 6 aus radioakti­ vem Material, zum Beispiel Iridium 192, befinden. Die Öffnung der Kapsel 1 ist mittels eines Stopfens 2 ver­ schlossen; ein abgesetzter Zapfen 3 des Stopfens 2 ragt in die Bohrung der Kapsel 1. Der Zapfen 3 ist mit der Kapsel verpreßt, um ein Herausfallen des Stopfens zu ver­ hindern und einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Kapsel 1 und dem Stopfen 2 zu gewährleisten. Eine Zünd­ spitze 4 des Stopfens 2 ist gegen das freie Ende eines Kabels 5 gerichtet.

In dem Lichtbogen zwischen dem Kabel 5 und dem Stopfen 2 schmelzen die Enden der Kapsel 1, des Stopfens 2 und des Kabels 5 so auf, daß sich eine kugelförmige flüssige Zone bildet. Wenn sich die Enden der zu verbindenden Teile be­ rühren, fließt das Schweißgut infolge der Oberflächen­ spannung ineinander, so daß sich nach dem Abkühlen und Erstarren eine feste Schweißverbindung 9 zwischen der Kapsel und dem Stopfen 2 sowie eine Schweißverbindung 10 zwischen dem Kabel und dem Stopfen 2 ergibt.

Zum Durchführen des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens dient eine Schweißvorrichtung aus einem Bett mit einer Führung 11. An den Enden des Bettes 11 sind Seitenteile 12 und 13 angeordnet. Eine Bleiabschirmung 14 schützt die Bedienungsperson vor der von den zu verschweißenden Tei­ len ausgehenden radioaktiven Strahlung. Im Seitenteil 12 ist eine Spannzange 15 angeordnet, die zum Beispiel das Kabel 5 aufnehmen kann. Über Zahnräder 16, 17, eine An­ triebswelle 18 und einen Antriebsmotor 19 läßt sich die Spannzange 15 spannen und lösen.

Ein Schlitten 20 ist auf dem Bett 11 verschiebbar ange­ ordnet und weist einen Träger 21, mit einer Spannzange 22 auf. Auch diese Spannzange 22 läßt sich über Zahnräder 23, 24, eine Antriebswelle 25 und einen Antriebsmotor 26 lösen und spannen. Der Schlitten 20 läßt sich über eine Spindel 27 und einen Antriebsmotor 28 verschieben.

Mit den Spannzangen 15, 22 sind über ein Steuergerät 30 die Pole eines Kondensators 29 verbunden. Dieses Steuer­ gerät 30 steuert nach einem vorgegebenen Programm die An­ triebsmotoren 19, 26 der Spannzangen 15, 22 und den An­ triebsmotor 28 für den Vorschub der Spannzange 22 an. Des weiteren ist das Steuergerät 30 mit einem Schutzgasbehäl­ ter 33 verbunden, von dem aus eine Schutzgasleitung 34 zu einer Abdeckhaube 32, und einer Entlüftungsbohrung 35 führt. Ein Zeitelement 31 ist mit dem Steuergerät 30 ver­ bunden und läßt den Schweißvorgang auf folgende Weise ab­ laufen:

Nachdem das Kabel 5 in die Spannzange 15 so eingesetzt ist, daß das Ende etwa 2 mm hervorragt und in gleicher Weise in die Spannzange 22 die Kapsel 1 mit dem Stopfen 2 eingesetzt ist, wird über einen Tastendruck das Steuerge­ rät 30 eingeschaltet und spannt die Spannzangen 15, 22 über die Antriebsmotoren 19, 26. Daraufhin wird die Spannzange 22 mittels des Antriebsmotors 28 und der Spin­ del 27 in die Abdeckhaube 32 hineingefahren, bis die Zündspitze 4 des Stopfens 2 das Ende des Kabels 5 be­ rührt. Nunmehr wird Schutzgas aus dem Schutzgasbehälter 33 durch die Schutzgasleitung 34 in die Abdeckhaube 32 geführt und verdrängt die darin befindliche Luft, die aus der Entlüftungsbohrung 35 austritt. Danach wird der Strom eingeschaltet und der Kondensator 29 entladen. Der Maxi­ malstrom wird durch einen Vorwiderstand begrenzt. Im vor­ liegenden Fall wird ein Vorwiderstand von 0,15 Ohm be­ nutzt, so daß bei einer Ladespannung des Kondensators von 40 V der Stromimpuls beim Zündvorgang Werte von 250 A er­ reicht. Nach dem Zünden bildet sich ein Lichtbogenplasma aus, das den Stromfluß weiter begrenzt.

Durch das Zünden des Lichtbogens wird das Zeitelement 31 eingeschaltet. Während der ersten 75% der Schweißzeit fährt die Spannzange 22 auf die Spannzange 15 mit einer Geschwindigkeit zu, die so bestimmt ist, daß die Lichtbo­ genstrecke in Abhängigkeit vom Abschmelzvorgang gleich bleibt. Noch bevor der Kondensator völlig entladen ist, wird die Bewegung der Spannzange 22 kurz beschleunigt, damit sich die konvexen, flüssigen Zonen der Teilenden berühren können. Das Schweißgut fließt ineinander, und die Spannung bricht zusammen. Es fließt kein Strom mehr, und die Abkühl- und Erstarrungsphase beginnt. In dieser Zeit läßt sich durch Einstellen der Beschleunigungs- und der anschließenden Bremsphase die Form der Schweißnaht etwas beeinflussen, so daß sich weder ein Wulst durch zu starkes Gegeneinanderschieben, noch eine Einschnürung in­ folge eines zu schnellen Abbremsens bildet.

Um eine einwandfreie Schweißverbindung zu erhalten, müs­ sen die verschiedenen Parameter wie Schweißspannung und Schweißstrom sowie die Geschwindigkeit der Spannzange 22 während der einzelnen Phasen des Schweißvorganges an die zu verschweißenden Teile angepaßt werden. Dies läßt sich durch eine Programmsteuerung mittels eines Mikroprozes­ sors im Steuergerät 30 erreichen.

Claims (6)

1. Anwendung des Bolzenschweißverfahrens mit Kondensatorenergie zum dichten Verschließen einer mit radioaktiven Pellets gefüllten, mittels eines Stopfens verschlossenen und mit diesem verpreßten me­ tallischen, länglichen Kapsel von 1 mm bis 3 mm Durchmesser und zum Verbinden der Kapsel mit einem Metallkabel in einem Arbeitsgang durch Zünden eines Lichtbogens durch Entladen eines Kondensators zwi­ schen einer Zündspitze an dem Stopfen und dem Kabel­ ende, Anschmelzen des Kabelendes, des Stopfens und des Kapselendes und Zusammenführen der angeschmolze­ nen Enden des Kabels, des Stopfens und der Kapsel bis zum Abkühlen und Erstarren der Schweißverbindung.

2. Anwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißen in einer Schutzgasatmosphäre durch­ geführt wird.

3. Anwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zu verschweißenden Teile aufeinan­ der zu bewegt werden, mit dem Zünden des Lichtbogens ein Zeitelement eingeschaltet und, die Bewegung wäh­ rend des Schweißens nach Zünden des Lichtbogens so gesteuert wird, daß die Lichtbogenstrecke gleichmäßig brennt, daß dann die Bewegung kurz beschleunigt wird, bis sich die geschmolzenen Enden berühren, das Schweißgut ineinander fließt und der Lichtbogen er­ lischt und daß die Bewegung unterbrochen wird, ohne daß sich eine Wulst oder eine Einschnürung bildet, bis die Schweißnaht abgekühlt und die Schmelze er­ starrt ist.

4. Anwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladestrom durch einen Vorwiderstand begrenzt wird.

5. Vorrichtung aus einem Bolzenschweißgerät mit einem Kondensator, gekennzeichnet durch einen Manipulator zum dichten Verschließen einer mit radioaktiven Pel­ lets gefüllten, mittels eines Stopfens verschlossenen und mit diesem verpreßten metallischen, länglichen Kapsel von 1 mm bis 3 mm Durchmesser und zum Verbin­ den der Kapsel mit einem Metallkabel in einem Ar­ beitsgang aus einer ferngesteuerten, mit einem Pol des Kondensators (29) verbundenen Kabelspannzange (15), eine koaxial dazu auf einem Schlitten (20) an­ geordneten und verschiebbaren, mit dem anderen Pol des Kondensators (29) verbundenen Kapselspannzange (22), einem Verschiebeantrieb (27, 28) für die Kap­ selspannzange (22) sowie einem Steuergerät (30) mit einem Zeitelement (31) zum Betätigen des Verschiebe­ antriebs (27, 28) und Aufeinanderzubewegen der Kapsel (1) mit Stopfen (2) und Zündspitze (4) gegen das Ka­ bel (5) bis zum Zünden des Lichtbogens, Steuern der weiteren Bewegung, so daß die Lichtbogenstrecke gleichmäßig brennt, bis die Enden der Kapsel mit dem Stopfen und des Kabels angeschmolzen sind, Beschleunigen bis zur Berührung der angeschmolzenen Enden und Beenden der Bewegung, so daß sich der Schweißbereich (9, 10) über die gesamte Fläche der Enden der Kapsel mit Stopfen und des Kabels erstreckt, sich jedoch kein Wulst und keine Einschnürung im Schweißbereich bilden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Abdeckhaube (32) mit einer Schutzgaszufuhr (34).