DD139103B1

DD139103B1 - PROCESS FOR CONTROLLING AND PROCESS-RELATED CONTROL OF THE GEOMETRIC DIMENSIONS BY MELTED PRODUCTS PRODUCED BY ENERGY-LOADING CARRIER BEAMS

Info

Publication number: DD139103B1
Application number: DD20823178A
Authority: DD
Inventors: Karl-Otto Dr-Ing Mauer
Original assignee: Mauer Karl Otto Dr Ing
Priority date: 1978-10-03
Filing date: 1978-10-03
Publication date: 1984-08-01
Also published as: DD139103A1

Description

Verfahren zur Kontrolle und prozeßabhängigen Regelung der geometrischen Abmessungen mittels durch energiereiche Ladungsträgerstrahlen erzeugter SchmelzbäderMethod for controlling and process-dependent control of the geometric dimensions by means of melt baths generated by high-energy carrier beams

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle und prozeßabhängigen Regelung der geometrischen Abmessungen mittels durch energiereiche Ladungsträgerstrahlen erzeugter Schmelzbäder kompliziert gestalteter Werkstücke unter Ausnutzung der Frequenz der Wechselstromkomponente oder Amplitude von Ladungsträgern, Energie- und Frequenzbereichen des Rückstreu, Werkstück- oder Durchdringungsstromes.The invention relates to a method for controlling and process-dependent control of the geometrical dimensions by means of energy generated by charged carrier beams melt baths complicated designed workpieces using the frequency of the AC component or amplitude of charge carriers, energy and frequency ranges of the backscatter, workpiece or Durchdringungsstromes.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es ist bereits bekannt, die Stromstärke des beim Elektronenstrahlschweißen auftretenden Rückstreu- und Werkstückstromes zur Kontrolle der Schweißnahtgeometrie auszunutzen. Dazu wird die Stromstärke des Rückstreu- oder Werkstückstromes während des Schweißens direkt oder über eine Differenziereinrichtung gemessen oder von einem Registriergerät aufgezeichnet. Als Auffänger für den Rückstreustrom wird eine isoliert befestigte Metallplatte mit geringen Abmessungen verwendet, die gegen Störstrahlung abgeschirmt und zum Prozeßort gerichtet ist. In Abhängigkeit von den verwendeten Schweißparameter^ bei denen jeweils eine bestimmte, an Hand von Schliffen ermittelbare Nahtgeometrie auftritt, ergeben sich dabei unterschiedliche Strorastärkewerte. Änderungen der registrierten Stromstärke während des Schweißprozesses weisen auf Veränderungen der Nahtgeometrie hin. Diese Methode weist folgende Nachteile auf. Der verwendete Auffänger für den Rückstreustrom ist nicht universell für alle Schweißbedingungen verwendbar, da er nur einen eng begrenzten Raumwinkel des Rückstreustromes erfaßt« Damit gilt die Abhängigkeit zwischen der Nahtgeoraetrie und der Stromstärke des Rückstreustromes nur für einen annähernd konstanten Raumwinkel. Änderungen des Raumwinkels während des Schweißens oder in Abhängigkeit von den Schweißpararoetern führen zu unterschiedlichen Stromstärkewerten und damit zu Fehlschlüssen über die Nahtgeometrie. Bei gegebenen Schweißparametern kann von der Stromstärke des Rückstreu- oder Werkstuckstromes nur auf die mittlere Tiefe und Sreite der erzeugten Schweißnaht geschlossen werden, da sich die beim Elektronenstrahlschweißen bekannte Spikebildung (relativ schnelle,It is already known to take advantage of the current intensity of the backscatter and workpiece current occurring during electron beam welding for checking the weld seam geometry. For this purpose, the current strength of the backscatter or workpiece flow during welding is measured directly or via a differentiating device or recorded by a recording device. As a catcher for the backscatter an isolated fixed metal plate is used with small dimensions, which is shielded against interference and directed to the process location. Depending on the welding parameters used, each of which has a specific seam geometry which can be determined on the basis of cuts, this results in different degrees of current strength. Changes in the registered current during the welding process indicate changes in the seam geometry. This method has the following disadvantages. The used backwash collector is not universally usable for all welding conditions, since it only detects a narrow spatial solidity of the backscattering stream. Thus, the dependence between the seam geometry and the amperage of the backscattering stream only applies to an approximately constant solid angle. Changes in the solid angle during welding or depending on the welding parameters lead to different current intensity values and thus to erroneous conclusions about the seam geometry. For given welding parameters, it is only possible to deduce the average depth and width of the produced weld seam from the current intensity of the backscattering or workpiece stump current, since the spike formation known in electron beam welding (relatively fast,

15 MGV. 1383^121) i415 MGV. 1383 ^ 121) i4

impulsartige Schwankungen der Nahttiefe um einen Mittelwert) hauptsächlich in der Wechselstromkomponente des Rückstreu- und '.Verkstückstroraes wiederspiegelt. Eine Stabilisierung der Nahtgeometrie während des Schweißens ist nicht möglich, da eine entsprechende Regeleinrichtung fehlt.momentum-like fluctuations in the depth of the seam around an average value), mainly in the AC component of the backscatter and power plant. A stabilization of the seam geometry during welding is not possible because a corresponding control device is missing.

Es ist auch bekannt, den Mittelwert des unter bestimmten Elektronenstrahlschweißbedingungen auftretenden Durchdringungsetromes für eine Prozeßregelung zur Stabilisierung der Nahtgeometrie auszunutzen, wobei als Stellgröße die Schweißgeschwindigkeit oder die Strahlstromstärke verwendet wird. Dazu wird der Durchdringungsstrom einer den Mittelwert bildenden Integrierschaltung zugeführt, die mit einer Vergleichsschaltung in Verbindung steht» Die Vergleichsschaltung bildet durch Vergleich des jeweiligen Istwertes mit dem vorgegebenen Sollwert das Signal der Regelabweichung, das über einen Regelverstärker, in dem das zeitliche Verhalten des Reglers eingestellt wird, dem Stellglied für die Schweißgeschwindigkeit oder Strahlstromsärke zugeführt wird, Änderungen des mittleren Durchdringungsstromistwertes bewirken eine Änderung der Schweißgeschwindigkeit oder St rahistroastärke und daait eine Stabilisierung der Schweißnahtgeoaetrie. Die Abhängigkeiten zwischen dem Mittelwert des Durchdringungsstromes und der Schweißgeschwindigkeit oder Strahlstromstärke, das zeitliche Verhalten der Regelstrecke sowie die Grenzwerte sind vorher im Versuch für die jeweiligen Schweißbedingungen zu ermitteln.It is also known to take advantage of the mean value of the penetration rate occurring under certain electron beam welding conditions for process control for the stabilization of the seam geometry, the welding speed or the beam current intensity being used as the manipulated variable. For this purpose, the penetration current is supplied to an integrating circuit forming the mean value which is connected to a comparison circuit. The comparison circuit forms the signal of the system deviation by comparing the respective actual value with the predetermined desired value, which is set via a control amplifier in which the time behavior of the controller is set , to which the actuator is supplied for the welding speed or beam current intensity, changes in the mean penetration current actual value cause a change in the welding speed or Strohmistroastärke and thus a stabilization of the weld seam geometry. The dependencies between the mean value of the penetration current and the welding speed or jet current strength, the temporal behavior of the controlled system and the limit values are to be determined in advance in the test for the respective welding conditions.

Dieses Verfahren weist folgende Nachteils auf. Ein Durchdringungsstrom tritt nur bei Durchschweißung des »Verkstückes auf, so daß das Verfahren nicht universell für jeden Elektronenstrahlschweißprozeß anwendbar ist. Obwohl der als Regelgröße verwendete Mittelwert des Durchdringungsstromes sowohl von der Gleich— als auch von der Wechselstromkomponente (Frequenz, Amplitude und Impulslänge) abhängig ist, wird nur die mittlere Tiefe und Breite der Schweißnaht stabilisiert, da die für die Integrierschaltung erforderliche Zeitkonstante relativ groß ist und dementsprechend Prozeßstörungen nicht schnell genug durch den Regler ausgeglichen werden. Bei Verwendung der Schwsißgeschwindigkeit als Stellgröße im Regelprozeß ist außerdem zu berücksichtigen, daß eine zusätzliche, durch die Trägheit des Antriebssystems begründete Zeitkonstante auftritt und folglich sprungartige Änderungen des Stellwertes nicht verzerrungsfrei übertragen werden.This method has the following disadvantage. Penetration current only occurs when the package is blown through, so that the method is not universally applicable to any electron beam welding process. Although the average value of the penetration current used as the control variable is dependent on both the DC and AC components (frequency, amplitude and pulse length), only the average depth and width of the weld is stabilized because the time constant required for the integrating circuit is relatively large and Accordingly, process disturbances can not be compensated quickly enough by the controller. When using the Schwsißgeschwindigkeit as a control variable in the control process is also to be considered that an additional, based on the inertia of the drive system time constant occurs and consequently sudden changes in the control value are not transmitted without distortion.

Es ist weiterhin bekannt, die Amplitude der Hochfrequenzkoraponente des Rückstreustromes für eine Prozeßregelung zur Stabilisierung der Nahtgeometrie auszunutzen, wobei als Stellgröße die Strahlstromstärke oder eine einseitige Ablenkung des Elektronenstrahles in Schweißrichtung verwendet wird. Als Auffänger für den Rückstreustrora wird ein Faraday-Käfig mit geringen Abmessungen verwendet, der zum Prozeßort gerichtet ist. Die dem Rückstreustrora proportionale Meßspannung wird über ein Hochpaßfilter mit der Grenzfrequenz 200 Hz und einen Verstärker einer Gleichrichterschaltung erzeugten Halbwelle der Hochfrequenzkomponente wird durch das Tiefpaßfilter die Hochfrequenzkoraponente abgetrennt, so daßIt is also known to exploit the amplitude of the high frequency Koraponente the backscattering flow for a process control to stabilize the seam geometry, being used as a manipulated variable, the beam current intensity or a one-sided deflection of the electron beam in the welding direction. As a catcher for the backscatter Tora a Faraday cage of small dimensions is used, which is directed to the processing location. The measurement voltage which is proportional to the backscattering radiation is separated by a high pass filter with the cutoff frequency 200 Hz and a half wave of the high frequency component produced by an amplifier of a rectifier circuit is cut off by the low pass filter

am Filterausgang die Amplitude der Hochfrequenzkomponente als Istwert zur Verfügung steht. Durch Vergleich des Istwertes mit dem vorgegebenen Sollwert in der Vergleichsschaltung wird das Signal der Regelabweichung erzeugt, das über einen Verstärker dem Stellglied für die Strahlstromstärke zugeführt wird. Änderungen der Amplitude der Rückstreustrom-Hochfrequenzkomponente bewirken eine Änderung der Strahlstromstarke und damit eine Stabilisierung der Nahtgeometrie.at the filter output the amplitude of the high frequency component is available as the actual value. By comparing the actual value with the predetermined target value in the comparison circuit, the signal of the control deviation is generated, which is supplied via an amplifier to the actuator for the jet current intensity. Changes in the amplitude of the backscattered high frequency component cause a change in the beam current and thus a stabilization of the seam geometry.

Eine andere Variante dieses Verfahrens besteht darin, daß das Ausgangssignal des dem Hochpaßfilter nachgeschalteten Verstärkers gleichzeitig über einen Impulsformer einen Impulsgenerator zugeführt wird, der Impulse konstanter Amplitude abgibt, die mit den Impulsen der Rückstreustrom-Hochfrequenzkomponente synchronisiert sind. Die Länge der Generatorausgangsirapulse wird durch das nach der vorhergehenden Variante erzeugte Signal der Regelabweichung gestellt. Der Ausgang des Impulsgenerator ist über einen Verstärker mit dem Stellglied für die Strahistromstärke oder Strahlablenkung in Schweißrichtung verbunden. Änderungen der Amplitude der Rückstreustrora-Hochfrequenzkomponente bewirken eine Änderung der Dauer für die Unterbrechung des Strahlstromes oder für die Ablenkung des Elektronenstrahles in SchweiSrichtung und damit eine Stabilisierung der Schweißnahtgeoraetrie. Die Abhängigkeiten zwischen der Amplitude der Hochfrequenzkomponente des Rückstreustroffles und den verwendeten Stellgrößen sind vorher im Versuch für die jeweiligen Schweißbedingungen zu ermitteln. Bei beiden Verfahrensvarianten ist eine stabile Fokuslage erforderlich.Another variant of this method is that the output of the high pass filter downstream amplifier is fed simultaneously via a pulse shaper a pulse generator which emits pulses of constant amplitude, which are synchronized with the pulses of the backscattered high frequency component. The length of the generator output irapulse is set by the signal of the system deviation generated according to the previous variant. The output of the pulse generator is connected via an amplifier to the actuator for the beam current intensity or beam deflection in the welding direction. Changes in the amplitude of the return-scattered high-frequency component cause a change in the duration for the interruption of the beam current or for the deflection of the electron beam in the welding direction and thus a stabilization of the weld geometry. The dependencies between the amplitude of the high-frequency component of the backscatter source and the manipulated variables used must first be determined in the experiment for the respective welding conditions. Both variants of the process require a stable focus position.

Dieses Verfahren weist folgende Nachteile auf. Da der verwendete Auffänger nur einen eng begrenzten Raumwinkel für den Rückstreustrom erfaßt, können Änderungen des Raumwinkels während des Schweißens oder in Abhängigkeit von den Schweißpararaetern das Meßsignal und damit den Regelprozeß negativ beeinflussen. Da die Regeleinrichtung für beide Verfahrensvarianten als Proportionalregler ausgeführt wurde, ist mit Einschwingvorgängen und Instabilitäten während des Regelprozesses zu rechnen. An die Stabilität der nicht als Stellgröße im Regelprozeß verwendeten Schweißparameter, besonders aber der Fokussierungsstrorastärke und Beschleunigungsspannung, werden erhebliche Anforderungen gestellt, weil sie einen wesentlich größeren Einfluß als die Strahlstrorastärke auf die Leistungsdichte des Elektronenstrahls und damit auf die Amplitude der Rückst reustrora-Hochfrequenzkomponente ausüben. Da jedoch allein die Amplitude der Rückst reustrom-Hochfrequenzkoraponente als Regelgröße verwendet wird, ist der Regelprozeß nur innerhalb relativ enger Grenzen möglich. Nach der ersten Verfahrensvariante werden die mittlere Tiefe und 3reite der Schweißnaht nur näherungsweise stabilisiert, da erst relativ große Änderungen der Strahlstromstärke, die bereits erhebliche Veränderungen besonders der Nahttiefe verursachen, eine merkliche Änderung der Amplitude der Rückst reustrom-Hochfrequenzkoraponente bewirken. Da nach der zweiten Verfahrensvariante der kontinuierliche Schweißvorgang, wenn auch kurzzeitig, durch prozeßabhängige Strahlauslastung oder Herausführung des Strahles aus dem Schmelzbad unterbrochen wird, können besonders bei hohen Leistungsdichten im Elektronenstrahl und/oder größeren Schweißgeschwindigkeiten wegen der geringeren «Värmekapazität undThis method has the following disadvantages. Since the catcher used detects only a narrow space angle for the backscattering, changes in the solid angle during welding or depending on the welding parameters can adversely affect the measurement signal and thus the control process. Since the control device was designed as a proportional controller for both variants of the method, transient processes and instabilities can be expected during the control process. On the stability of the welding parameters not used as a manipulated variable in the control process, but especially the Fokussierungsstrorastärke and acceleration voltage, considerable demands are made because they exert a much greater influence than the beam current on the power density of the electron beam and thus on the amplitude of the Rückst reustrora high frequency component. However, since only the amplitude of the return-current high-frequency Koraponente is used as a controlled variable, the control process is possible only within relatively narrow limits. According to the first variant of the method, the average depth and width of the weld are only approximately stabilized, since only relatively large changes in the jet current, which already cause considerable changes, especially the depth of the seam, cause a noticeable change in the amplitude of the reverse-wave high-frequency coraponente. Since, according to the second variant of the method, the continuous welding process is interrupted, albeit briefly, by process-dependent jet utilization or removal of the jet from the molten bath, particularly at high power densities in the electron beam and / or higher welding speeds, due to the lower heat capacity and

thermischen Trägheit des Schraelzbades Instabilitäten des Regelprozesses auftreten, so daß lediglich die mittlere Tiefe und Breite der Schweißnaht stabilisiert wird. Die Ermittlung dercptimalen Parameter für die Prozeßregelung ist schwierig, da sich die verwendeten Größen auch gegenseitig beeinflussen, so daß mit Instabilitäten des Regelprozesses zu rechnen ist. Es ist außerdem bekannt, die Amplitude der Niederfrequenzkomponente des Durchdringungsstromes für eine Prozeßregelung zur Stabilisierung der Nahtgeometrie auszunutzen, wobei als Stellgröße die Pendelamplitude des Elektronenstrahles oder die Strahlstromstärke verwendet wird. Die dem Durchdringungsstrom proportionale Meßspannung wird über ein Tiefpaßfilter und eine Vergleichsschaltung, in der der Ist- und Sollwert miteinander verglichen und das Signal der Regelabweichung gebildet werden, einem Regelverstärker zugeführt, in dem das zeitliche Verhalten des Reglers eingestellt wird. Der Ausgang des Regelverstärkers steht mit einem entsprechenden Stellglied für die Amplitude der Elektronenstrahlpenaelung oder für die Strahlstromstärke in Verbindung. 3ei Verwendung der Strahlstromstärke als Stellgröße im Regelkreis wird die Fokussierungsstrorastärke in Abhängigkeit von der sich lastabhängig ändernden Beschleunigungsspannung elektronisch durch eine Rückkopplung verändert, wodurch eine annähernd stabile Fokuslage erreicht wird. Änderungen der Amplitude der Durchdringungsstrom-Niederfrequenzkoraponente bewirken eine Änderung der eingestellten Sollpendelamplitude konstanter Frequenz oder Strahlstromstärke und damit eine Stabilisierung der Schweißnahtgeometrie. Die Abhängigkeiten zwischen der Amplitude derthermal inertia of the Schraelzbades instabilities of the control process occur, so that only the average depth and width of the weld is stabilized. The determination of the maximum parameters for the process control is difficult, since the variables used also influence one another, so that instabilities of the control process can be expected. It is also known to take advantage of the amplitude of the low frequency component of the penetrating current for process control to stabilize the seam geometry, using the pendulum amplitude of the electron beam or the beam current intensity as the manipulated variable. The measurement voltage proportional to the penetration current is fed via a low-pass filter and a comparison circuit in which the actual and desired value are compared and the signal of the control deviation are formed, fed to a control amplifier in which the temporal behavior of the controller is set. The output of the control amplifier is connected to a corresponding actuator for the amplitude of the Elektronenstrahlpeaelung or for the beam current intensity in combination. When the beam current intensity is used as the manipulated variable in the control loop, the focusing current intensity is changed electronically as a function of the load-dependent changing acceleration voltage by means of a feedback, whereby an approximately stable focus position is achieved. Changes in the amplitude of the Durchdringungsstrom-Niederfrequenzkoraponente effect a change in the set Sollpendelamplitude constant frequency or beam current and thus a stabilization of the weld geometry. The dependencies between the amplitude of the

Durchdringungsstrora-Niederfrequenzkomponente und der jeweils verwendeten Stellgröße, das zeitliche Verhalten der Regelstrecke sowie die Grenzwerte sind vorher im Versuch für die jeweiligen Schweißbedingungen zu ermitteln. Dieses Verfahren weist folgende Nachteile auf. Da ein Durchdringungsstrom nur bei Durchschweißung des Werkstückes auftritt, ist das Verfahren nicht universell für jeden Elektronenstrahlschweißprozeß anwendbar. Obwohl der Regler Störeinflüsse in Abhängigkeit von der verwendeten Zeitkonstante für das Tiefpaßfilter relativ schnell ausgleicht, werden gleichzeitig keine völlig glatte Nahtwurzel und -oberraupe erzielt, da Hochfrequente, mit dem Dampfdruck und Plasma in Verbindung stehende Vorgänge bei diesen) Verfahren nicht in den Regelprozeß eingehen, so daß nur die mittlere Tiefe und Breite aer Schweißnaht stabilisiert wird. Der Hauptnachteil für alle bekannten Lösungen besteht darin, daß die jeweils verwendeten Prozeßgleichungen nur bei Konstanz der nicht als Stellgröße verwendeten Schweißparameter exakt Gültigkeit haben und damit der Regelbereich sowie der universelle Einsatz der Verfahren eingeengt sind. Die Ursache liegt darin begründet, daß der Regelprozeß (Sollwert der Regelgröße, zeitliches Verhalten des Reglers u.a.) nicht den jeweils veränderten Prozeßbedingungen angepaßt wird, was nur mit Hilfe eines Prozeßrechners schnell und sicher gelöst werden kann. Da bei allen bekannten Verfahren lediglich ein einschleifiger Regelkreis verwendet wird, können die mittlere Tiefe und Breite der Schweißnaht zwar stabilisiert, nicht aber gleichzeitig die beim Elektronenstrahlschweißen mit der für gegebene Schweißbedingungen maximal möglichen Leistungsdichte auftretende Spikesbildung minimiert oder gar beseitigt werden. Die Ursache liegt darin begründet, daß die drei Komponenten (Gleichstrom, Niederfrequenz und Hochfrequenz) des Rückstreu-, Werkstück- und Durchdringungsstromes unterschied-Durchstringungsstrora-low frequency component and the control variable used in each case, the temporal behavior of the controlled system and the limits are previously determined in the experiment for the respective welding conditions. This method has the following disadvantages. Since a penetrating current occurs only when the workpiece is welded through, the method is not universally applicable to any electron beam welding process. Although the regulator relatively quickly compensates for disturbances as a function of the time constant used for the low-pass filter, at the same time no completely smooth seam root and top-horn is achieved since high-frequency processes associated with the vapor pressure and plasma do not enter into the control process in these processes. so that only the average depth and width is stabilized aer weld. The main drawback for all known solutions is that the process equations used in each case have exact validity only with constancy of the welding parameters not used as manipulated variable, and thus the control range and the universal use of the methods are restricted. The reason lies in the fact that the control process (target value of the controlled variable, time behavior of the controller, etc.) is not adapted to the respective changed process conditions, which can be solved quickly and safely only with the help of a process computer. Since only one single-loop control loop is used in all known methods, the average depth and width of the weld seam can be stabilized, but at the same time the spike formation occurring during electron beam welding with the maximum possible power density for given welding conditions can not be minimized or even eliminated. The reason is that the three components (direct current, low frequency and high frequency) of the backscattering, workpiece and penetrating currents differ.

liehe Information über die Prozeßdynamik und damit die Ausbildung der Schweißnaht beim Elektronenstrahlschweißen beinhalten.Liehe information about the process dynamics and thus include the formation of the weld during electron beam welding.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Durch die Erfindung ist ein Verfahren zu schaffen, welches unter den jeweiligen Bedingungen des technologischen Prozesses gestattet, die Erzeugnisqualität beim 3earbeiten mit energiereichen Ladungsträgerstrahlen zu verbessern.The invention provides a method which, under the respective conditions of the technological process, makes it possible to improve product quality when working with high-energy carrier beams.

Das Wesen der ErfindungThe essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dynamik des technologischen Prozesses in geeigneter V/eise derart zu beeinflussen, daß die geometrischen Abmessungen mittels energiereicher Ladungsträgerstrahlen erzeugter Schraelzbäder nicht nur im Mittel stabilisiert werden. Die Verfahrensausübung soll auch dann möglich sein, wenn ein oder mehrere Prozeßpararaeter automatisch an sich während des ProzeSverlaufes ändernde Prozeßbedingungen angepaßt werden.The invention has the object of influencing the dynamics of the technological process in a suitable manner such that the geometrical dimensions of high-energy carrier beams produced Schraelzbäder be stabilized not only on average. The exercise of the method should also be possible if one or more process parameters are automatically adapted to process conditions that change during the course of the process.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ausgehend von einem Regelprozeß, insbesondere in Verbindung (uzt einem Prozeßrechner, die Regel- und Stellgrößen derart aufeinander abgestimmt werden, daß während des technologischen Prozesses durch Resonanz eine stabile, erzwungene Prozeßdynamik erzeugt wird und dazu eine durch Frequenzteilung oder -Vervielfachung gebildete Harmonische der Frequenz des Rückstreu-, Werkstück- oder Durchdrin»According to the invention the object is achieved in that starting from a control process, in particular in connection (uzt a process computer, the control and manipulated variables are coordinated such that during the technological process by resonance, a stable, forced process dynamics is generated and to a by frequency division or multiplication formed harmonics of the frequency of the backscatter, workpiece or Durchdrin »

gungsstromes verwendet wird.supply current is used.

Es ist auch möglich einen mehrschleifigen Regelprozeß zu realisieren, in dem durch ein oder zwei Regelkreise oder durch eine rechnergestützte Prozeßsteuerung die Parameter des technologischen Prozesses an sich während des Prozeßverlaufes ändernde Bedingungen, wie beispielsweise Änderung des Arbeitsabstandes, der Werkstückdicke und/oder der Arbeitsgeschwindigkeit angepaßt werden und durch einen damit verknüpften, weiteren Regelkreis die stabile, erzwungene Prozeßdynamik erzeugt wird.It is also possible to realize a multi-loop control process in which by one or two control loops or by a computer-aided process control the parameters of the technological process to be adapted during the process changing conditions, such as changing the working distance, the workpiece thickness and / or the working speed and the stable, enforced process dynamics is generated by a further control loop linked thereto.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung wird ein 3lockschema des Regelkreises zur Erzeugung der stabilen, erzwungenen Prozeßdynaraik beim Elektronenstrahlschweißen gezeigt.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing a three-loop scheme of the control loop for generating the stable, forced process dynamics in electron beam welding is shown.

Der von der Elektronenstrahl-Schweißkanone 1 erzeugte Elektronenstrahl ES trifft auf das Werkstück 2, das sich mit Schweißgeschwindigkeit relativ zum Elektronenstrahl ES bewegt. Durch entsprechende Abstimmung der einzelnen Prozeßparameter wird dabei eine Schweißnaht 3 erzeugt. Im Raum zwischen Elektronenstrahl-Schweißkanone 1 und Werkstück 2 ist ein Auffänger 4 für den Elektronen-Rückstreustrom I isoliert angeordnet, der zum Schweißort gerichtet und über den Widerstand R mit Masse verbunden ist. Am Widerstand R entsteht ein Spannungsabfall, der dem Elektronen-Rückstreustrom I_ direkt proportional ist. Der Widerstand R besteht aus Festwiderständen und ist in Verbindung mit einem Umschalter als Potentiometer geschaltet. In Abhängigkeit von der jeweiligen Schalter-The electron beam ES generated by the electron beam welding gun 1 strikes the workpiece 2, which moves at welding speed relative to the electron beam ES. By appropriate coordination of the individual process parameters while a weld 3 is generated. In the space between electron beam welding gun 1 and workpiece 2, a collector 4 for the electron backscattering I is isolated, which is directed to the welding site and connected via the resistor R to ground. At the resistance R, a voltage drop occurs which is directly proportional to the electron backscattering current I_. The resistor R consists of fixed resistors and is connected in conjunction with a switch as a potentiometer. Depending on the respective switch

Stellung wird ein entsprechender Spannungsabfall einero breitbandigen Wechselspannungsverstärker 5 zugeführt, dessen Ausgang mit einem Präzisionsgleichrichter PG und nachgeschaltetem aktiven Tiefpaßfilter TPF in Verbindung steht. Am Ausgang des Tiefpaßfilters TPF steht eine Gleichspannung zur Verfügung, die dem Mittelwert des Elektronen-Rückstreuwechselstromes proportional ist. Diese Gleichspannung wird über einen Analog/Digital-Urasetzer A/D-U als Istwert der Regelgröße I dem Mikrorechner MR zugeführt.Position, a corresponding voltage drop a broadband AC amplifier 5 is fed, the output of which is connected to a precision rectifier PG and downstream active low-pass filter TPF. At the output of the low-pass filter TPF, a DC voltage is available which is proportional to the mean value of the electron backscatter AC current. This DC voltage is supplied to the microcomputer MR via an analog / digital original setter A / D-U as an actual value of the controlled variable I.

Als Stellgröße in? Regelprozeß wird die Fokussierung des Elektronenstrahles benutzt. Dazu wird in die Ebene der in jeder Elektronenstrahl-Schweißkanone 1 vorhandenen Fokussierungslinse 6 zusätzlich eine induktivitätsarme Fokussierungslinse auf Ferritkernbasis 7 eingefügt, die über einen Leistungsverstäkrer LV angesteuert wird. Die Einstellung der Grundfokussierung für den Elektronenstrahl-Schweißprozeß erfolgt über den durch die Fokussierungslinse б fließenden Fokussierungsstrom !,_. Die Fokussierungslinse 7 ermöglicht innerhalb vorgegebener Grenzen schnelle Änderungen der Strahlfokussierung um die durch die Fokussierungslinse б bewirkte 3rundfokussierung. Für den Regelprozeß wird dem Leistungsverstärker LV eine Sinusspannung zugeführt, die einem extern ansteuerbaren Funktionsgenerator FG entnommen wird. Die Einstellung von Frequenz F und Amplitude A der Sinusspannung am Ausgang des Funktionengenerators FG bewirkt der Mikrorechner MR über entsprechende Steuerwert umsetzer SWU' und SWlU nach dem vorgegebenen Steuerprogramm, Die Eingabeeinheit EE und Ausgabeeinheit AE sind zur Kommunikation mit dem Mikrorechner MR vorgesehen.As a manipulated variable in? Regulating process, the focusing of the electron beam is used. For this purpose, a low-inductance focusing lens on ferrite core 7 is additionally inserted into the plane of the focusing lens 6 present in each electron beam welding gun 1, which is driven via a power amplifier LV. The adjustment of the basic focusing for the electron beam welding process takes place via the focusing current flowing through the focusing lens б. The focusing lens 7 allows within predetermined limits rapid changes of the beam focusing around the 3-round focusing caused by the focusing lens б. For the control process, the power amplifier LV is supplied with a sinusoidal voltage, which is taken from an externally controllable function generator FG. The adjustment of frequency F and amplitude A of the sine voltage at the output of the function generator FG causes the microcomputer MR via corresponding control value converter SWU 'and SWlU according to the predetermined control program, the input unit EE and output unit AE are provided for communication with the microcomputer MR.

Zur Verfahrensausübung werden für die Sinusfunktion, nach der sich die Elektronenstrahlfokussierung um die Grundfokussierung ändert, eine konstante Amplitude A sowie ein konstanter 3ereich für die Frequanz F festgelegt. DerIn order to carry out the method, a constant amplitude A and a constant frequency range F are set for the sine function, according to which the electron beam focusing changes by the basic focussing. The

Frequenzbereich entspricht dabei dem Stellbereich für den Regelprozeß. Die Festlegung der Amplitude und des Frequenzbereiches erfolgt in Abhängigkeit von den Schweißbedingungen. Die Regelgröße I hat über den Frequenzbereich der Stellgröße die Form einer Gauß-Kurve, in deren Maximum eine stabile, erzwungene Prozeßdynamik mit extrem gleichmäßig ausgebildeter Nahtgeometrie auftritt. Das Steuerprogramm für den Mikrorechner MR ist derart aufgebaut, daß der Frequenzbereich in hinreichend kleinen Schritten durchfahren, gleichzeitig die Istwerte der Regelgröße I zwischen zwei Schritten miteinander verglichen und die Frequenz F immer in Richtung eines zunehmenden Istwertes der Regelgröße I verändert werden. Damit stimmt der Mikrorechner MR als Regler den Regelkreis immer auf das Maximum der Regelgröße I ab.Frequency range corresponds to the adjustment range for the control process. The definition of the amplitude and the frequency range takes place as a function of the welding conditions. The controlled variable I has the shape of a Gaussian curve over the frequency range of the manipulated variable, at the maximum of which a stable, forced process dynamics with extremely uniformly formed seam geometry occurs. The control program for the microcomputer MR is constructed in such a way that the frequency range traverses in sufficiently small steps, the actual values of the controlled variable I between two steps are compared with one another and the frequency F is always changed in the direction of an increasing actual value of the controlled variable I. Thus, the microcomputer MR as a controller always tunes the control loop to the maximum of the control variable I.

Claims

invention claim

Process for the control and process-dependent control of the geometric dimensions by means of energy generated by charged carrier beams melt baths complicated designed workpieces using the frequency of the AC component or amplitude of charge carriers, energy and frequency ranges of the backscatter, workpiece or Durchdringungsstromes, characterized in that the control and manipulated variables be matched for the control process such that during the technological process by resonance produces a stable, constrained process dynamics and to a harmonic frequency formed by frequency division or -Vielielung the frequency of the backscatter, workpiece or Durchdringungsstromes is used.

Method for Xontrolle and process-dependent control according to item 1, characterized in that a mehrschleif iger control process is realized in which by one or two control loops or by a computer-aided process control, the parameters of the technological process to be adapted during the process changing process conditions and by a associated, further control loop a stable enforced process dynamics is generated.

Documents considered:

DE-OS 1690 626 (21g, 21/01)
DE-OS 1941 255,

2122 282 (B 23 K, 15/00)
DE-AS 2443 563 (B 23 K, 15/00)
Dr.-Ing. VW Baschenko, Dr, Ing. Karl-Otto Mauer:

Investigation of the penetration and re-radiation from the vapor channel in electron beam welding, Z! S-Mitt 18 (1976) 9, p 923-936;
Dr. Jng. VW, Baschenko, Dr.-Ing. Karl-Otto Mauer:

Investigations on the Mean Druchdringungs-return current in electron beam welding, Z! S-Mitt 18 (1976) 11, p 1171-1176

For this a sheet of drawings