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Wechselspannungserregter Ablenkspannungsschaltkreis für ein Elektronenstrahlschweißgerät
Die Erfindung bezieht sich auf einen wechselspannungserregten Ablenkspannungsschaltkreis
für ein Elektronenstrahlschweißgerät zur periodischen Ablenkung des Elektronenstrahls
quer zur Schweißnaht.
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Elektronenstrahlschweißgeräte verwenden einen scharf fokussierten
Elektronenstrahl als Schweißwerkzeug, wobei die praktisch masselosen, jedoch eine
hohe Geschwindigkeit aufweisenden Elektronen eine große kinetische Energie aufweisen.
Diese leinetische Energie wird auf die Gitterelektronen des Werkstückes übertragen,
so daß infolge der erregten Gitterschwingungen im Auftreffgebiet ein großer Temperaturanstieg
erfolgt. Das Material schmilzt und verdampft sogar, so daß der Elektronenstrahl
tief in das Werkstück eindringen kann, wobei aus dem Material heraus ein feiner
Kanal verdampft wird.
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Beim Schweißen, beispielsweise Stumpfschweißen, wird der Elektronenstrahl
auf die zu erstellende Schweißnaht fokussiert, und der Strahl sowie das Werkstück
werden derart relativ zueinander bewegt, daß der Strahl an der Schweißnaht entlang
wandert. Um nicht genau zueinander passende Werkstückkanten miteinander verschweißen
zu können, ist es bereits bekannt, den Elektronenstrahl quer zur Schweißnaht periodisch
abzulenken. Beim Schweißen mancher Materialien, wie beispielsweise Titan, ist es
auch bei genau zueinander passenden Schweißkanten erforderlich, den Elektronenstrahl
quer zur Schweißnaht abzulenken, damit keine Wärmeschäden in dem Werkstück auftreten.
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Man hat versucht, die Elektronenstrahlablenkung mit den aus der Kathodenstrahltechnik
bekannten Ablenkspannungsschaltkreisen durchzuführen. Dabei wurden Ablenkspannungen
mit Sägezahnform sowie Rechteckwellenform benutzt. Derartige Schaltkreise sind einerseits
aufwendig und teuer, und andererseits erweisen sie sich als unzureichend.
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Beim Elektronenstrahlschweißen wird die Energie von dem Elektronenstrahl
beim Eindringen in das Werkstück unmittelbar in den tieferen Schichten an das Material
abgegeben. Die Wärmeleitung von der Oberfläche spielt dabei kaum eine Rolle. Zur
Erzielung einer bestmöglichen Schweißung muß der Elektronenstrahl sehr tief, vorzugsweise
vollständig durch das Werkstück dringen. Die Eindringtiefe wird durch regulierbare
Parameter im Strahlgenerator und ferner durch die Geschwindigkeit, mit welcher der
Strahl über das Werkstück bewegt wird, gesteuert. Wenn man nun für die Ablenkung
des Elektronenstrahls quer zur Schweißnaht eine Spannung mit Rechteckwellenform
benutzt, so wird; abgesehen von der Frequenz der Ablenkspannung, der Strahl im Bereich
der Impulsflanken sehr schnell über das Werkstück streichen, während der Strahl
jeweils während der maximalen Ablenkung etwa für die Dauer einer Halbperiode praktisch
in einem Punkt verharrt. Bei Verwendung einer Rechteckspannung bilden sich daher
jeweils symmetrisch zur Mitte der Schweißnaht zwei Zonen aus, in denen der Elektronenstrahl
vergleichsweise tief in das Werkstück eindringt, während die Eindringtiefe im Bereich
der eigentlichen Schweißnaht gering ist.
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Bei Verwendung einer Sägezahn-Ablenkspannung ergibt sich ein ähnlicher
Effekt. In diesem Falle ist die Verteilung der Eindringtiefe schon günstiger als
im Fall einer Rechteckspannung. Allerdings erzielt man auch mit einer Sägezahnablenkspannung
keine gleichmäßige Verteilung der Eindringtiefe und damit der Wärme. Denn zum einen
ist die Sägezahnwellenform verzerrt. Insbesondere infolge der Induktivität der Ablenkspulen
sind die Spitzen abgeflacht, so daß der Strahl im Bereich der Maxima eine geringere
Änderungsgeschwindigkeit aufweist und somit tiefer in das Werkstück eindringt. Zum
anderen ist die Eindringtiefe nicht nur durch die Relativgeschwindigkeit zwischen
Strahlfleck und Werkstückoberfläche; sondern auch durch die Temperatur des Werkstückes
bestimmt. Wenn sich die Bewegungsrichtung des Strahlflecks im Bereich der Maxima
umkehrt, so trifft
der Strahlfleck zunächst auf Material, das sehr
heiß ist, Weil der Strahl unmittelbar zuvor darüber hinweggegangen ist. Die Üindringtiefe
ist darum auch bei Verwendung einer idealen Sägezahnwellenform im Bereich der Strahlränder
größer. -Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Ablenkspannungsschaltkreises,
mit dem man im zentralen Bereich der Schweißnaht eine vergleichsweise große Eindringtiefe
.'erreichen kann, und bei dem die Ablenkspannung innerhalb weiter Grenzen auf eine
für den jeweiligen Werkstoff günstige Wellenform eingestellt werden kann.
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Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß zwischen den Anschlußpolen
der Wechselspannung einerseits in Reihe die Primärwicklung eines Sättigungstransformators
und ein Begrenzungswiderstand, sowie andererseits parallel zum Transformator ein
an den Verbindungspunkt von Primärwicklung und Begrenzungswiderstandangeschaltetes
Potentiometer angeschlossen sind; und daß die Ablenkspannung - für den Elektronenstrahl
zwischen Potentiometerabgriff und dem dem Begrenzungswiderstand benachbarten Anschlußpol
abgenommen ist.
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Zweckmäßigerweise liegt in Reihe zu dem Potentiometer ein Vorwiderstand.
Außerdem, ist in Reihe zwischen Potentiometer und Verbindungspunkt die Sekundärwicklung,
des Sättigungstransformators mit entgegengesetztem Wicklungssinn wie die Primärwicklung
geschaltet. Zur Amplitudeneinstellung der Ablenkspannung ist zwischen den Abgriff
des Potentiometers und den Anschlußpol parallel zu den Ab-Lenkspulen ein Spannungsteiler
eingefügt.
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Die Erfindung benutzt die bekannte Erscheinung, daß in- einem Sättigungstransformator
ein starker-Anteil der dritten Harmonischen erregt wird. Die Erfindung ermöglicht
es, einen wechselnden Anteil der dritten Harmonischen in geeigneter Phasenbeziehung
der Ablenkwellenform beizumischen, wodurch insbesondere der Spannungsanstieg im
Bereich des Nulldurchgangs der Spannungskurve beeinflußt werden kann. Wenn der Spannungsanstieg
in diesem Bereich klein ist, ergibt sich nach den obigen Darlegungen im Zentrum
der Schweißnaht -eine große Eindringtiefe und: damit eine hohe Wärmeentwicklung.
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Ein Ausführungsbeispiel gemäß- der Erfindung wird' an Hand der Zeichnungen
erläutert.
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F i g. 1 zeigt schematisch einen bevorzugten Schaltkreis gemäß der
Erfindung; F i g. 2 bis 5 zeigen verschiedene Wellenformen, die mit Hilfe der Schaltung
nach F i g. 1 erzeugt werden können; F i g. 6 bis 8 sind Querschnittsansichten von
Werkstücken, die auf einem erfindungsgemäß arbeitenden Gerät geschweißt worden sind.
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In F i g.-1 ist ein Elektronenstrahlschweißgerät im ; ganzen mit 10
bezeichnet. Dieses Gerät umfaßt eine Elektronenstrahlquelle 12, eine (nicht dargestellte).
Vorrichtung zum Fokussieren der von der Elektronenstrahlquelle 12 emittierten Elektronen
in einen scharf gebündelten Strahl 13 sowie eine magnetische Linsenanordnung 14
zum Fokussieren des Strahls 13 auf ein Werkstück. Das- =Gerät 10 weist außerdem
eine Bearbeitungskammer l6 auf, in der das zuschweißende Stück oder die zu schweißenden
Stücke auf einem beweglichen Tisch 20 angeordnet sind: Bei üblichem Arbeitsablauf
wird der Strahl 13 an einem Ende der Naht auf das zu schweißende Werkstück
18 fokussiert und dann der Tisch 20 (mit einer nicht dargestellten Vorrichtung)
in der Weise bewegt, daß der Strahl der zu schweißenden Naht folgt. Bei gewissen
Arbeitsbedingungen ist es, wie oben erläutert, erforderlich, den Strahl
13 quer über die Schweißnaht hin- und herzubewegen, während sich der Tisch
20 bewegt. Zu diesem Zweck ist ein Paar Ablenk spulen 22 vorgesehen.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise wird ein Anwendungs-Fäll erläutert,
in welchem der benutzte Ablenkspannungsschaltkreis mit einer sinusförmigen Eingangsspannung
von 60 Hz und 115 V arbeitet. An den Anschlußpol 3 ist ein Transformator T1 angeschlossen,
dessen Primärwicklung nur eine so geringe Anzahl von Windungen aufweist, daß der
Transformatorkern während jeder Halbperiode hoch gesättigt wird. Es ist bekannt,
daß bei Sättigung eines Transformators eine kräftige dritte Harmonische der angelegten
Spannung erzeugt wird. Um den Erregungsstrom, der infolge der Sättigung. zu groß
werden würde; zu begrenzen, ist mit der Primärwicklung von T1 ein Widerstand R 1
in Serie geschaltet. Ein weiterer Zweck des Widerstandes R 1 ist, eine Spannung
zu erzeugen, welche- dem Strom - in der Primärwicklung des Transformators T1 proportional
ist. Die an R 1 zwischen Anschlußpol 1 und Verbindungspunkt 2 auftretende Spannung
ist daher eine Spannung von 60 Hz mit einer kräftigen dritten Harmonischen, etwa
so wie in F i g. 5 dargestellt, wobei die zusätzliche Spannungsspitze in der zweiten
Hälfte jeder Halbperiode dem nach Sättigung des Transformatorkerns fließenden Strom
entspricht.
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Die Sekundärwicklung des =Transformators. T 1 hat ungefähr die gleiche
Anzahl von Windungen wie die Primärwicklung, und die beiden Wicklungen sind mit
umgekehrter Polarität im Verbindungspunkt 2 miteinander verbunden. Daher ist die:
-zwischen den Punkten 3 und 4 liegende Spannung -doppelt so groß wie die zwischen
den Punkten 2 und 3. Die Spannung zwischen den Punkten 3 und 4 wird zu einem Spannungsteiler
geführt, der aus einem Widerstand R4 und einem in Serie mit diesem liegenden Potentiometer
R2 besteht. Widerstand R' 4 ist wesentlich kleiner als der Widerstand von R 2. Die
vom Schleifer des Potentiometers R 2 abgegriffene Spannung wird über ein zweites
Potentiometer R 3; mit dessen Hilfe die Amplitude der Spannung von R 2 reguliert
wird, den Ablenkspulen 22 zugeführt. Somit ist die Ablenkspannung die, zwischen
den Punkten :t und 5 herrschende Spannung.
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Da R 2 und R 4 einen Spannungsteiler bilden; wird für eine bestimmte
Zwischenstellung des Schleifers von R 2 die Spannung zwischen den Punkten 2 und
5 -annähernd Null. Für diese spezielle Einstellung von R 2 ist die Spannung zwischen
den Punkten 1 und 5' im wesentlichen die- gleiche; wie die Spannung-an R 1, so daß
sich die in der F i g. 5 gezeigte Ablenkspannung ergibt. -Wenn der Schleifer auf
R2 aus der Zwischenstellung. auf R 4 zubewegt wird, nimmt die Spannung zwischen
den Punkten 1 und 5 offensichtlich eine Wellenform. an, welche sich der Wellenform
der angelegten . sinusförmigen Spannung. annähert. Wenn, mit anderen Worten, der
Schleifer des in F i g. 1 gezeigten Potentiometers R-2 ganz nach links bewegt wird;
so wird die sinusförmige. Eingangsspannung. direkt an das Potentiometer R 3 -angelegt.
Die gewünschte Amplitude dieser Spannung kann dadurch ausgewählt werden, daß man
den Schleifer des Potentiometers
R 3 entsprechend einjustiert.
Diese sinusförmige Spannung ist in F i g. 2 gezeigt. F i g. 6 zeigt einen Querschnitt
der Schweißung, die entsteht, wenn die Spannung nach F i g. 2 den Ablenkspulen zugeführt
wird. Die Eindringtiefe des Strahles 6 ändert sich im umgekehrten Verhältnis zur
Geschwindigkeit des Strahlflecks relativ zur Werkstückoberfläche, wie das Profil
in F i g. 6 zeigt.
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Wenn andererseits der Schleifer von R 2 aus der Stellung, in welcher
eine sinusförmige Ablenkspannung zugeführt wird, auf Punkt 4 zubewegt wird, so wird
der Ablenkspannung ein größerer Anteil der Spannung der dritten Harmonischen hinzugefügt,
bis - wenn in F i g. 1 der Schleifer sich in der äußersten rechten Stellung befindet
- die Spannung zwischen den Punkten 1 und 5 eine Wellenform aufweist, die in erster
Linie von der Spannung an R 1 plus der Spannung an der Sekundärwicklung von T1 bestimmt
wird. Dadurch erhält man für die an R 3 geführte Spannung die in F i g. 4 gezeigte
Wellenform. Wenn man diese Ablenkspannung an die Ablenkspulen 22 anlegt, ergibt
sich das in F i g. 7 gezeigte Eindringdiagramm.
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Zwischen den beiden Schleiferstellungen, welche die in den F i g.
4 und 5 gezeigten Wellenformen bedingen, gibt es eine Stellung, in welcher die in
der F i g. 3 dargestellte symmetrische Wellenform erzeugt wird. Diese Wellenform
ist oft die am besten passende, da sie, wie in F i g. 8 gezeigt, zu einer großen
Eindringtiefe in der Mitte der Schweißung führt.
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In Fällen, in denen die zu schweißende Naht unregelmäßig verläuft,
wird es erforderlich, der Ablenkspannung eine Gleichspannungskomponente hinzuzufügen,
so daß der Mittelbereich der Strahlablenkung auf der Schweißnaht bleibt. Zu diesem
Zweck wird dem Schaltkreis eine justierbare (nicht dargestellte) Gleichstromquelle
hinzugefügt. Das Hinzufügen der Gleichspannung macht es erforderlich, zwei Kondensatoren
C1 und C2 einzuschalten, um zu verhindern, daß Gleichstrom in den Wechselstromkreis
gelangt; außerdem muß eine Drossel L 1 eingeschaltet werden, welche verhindert,
daß Wechselstrom in den Gleichstromkreis gelangt. Die Widerstände R 4 und R 5 werden
benötigt, um den zu den Ablenkspulen 22 fließenden Maximalstrom zu begrenzen und
-was R 5 angeht - zwecks einer dem Belastungswiderstand Rechnung tragenden Korrektur
des Leistungsfaktors.
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Im Vorstehenden wurde eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
erläutert und beschrieben, so kann auch ein zweites Paar von Ablenkspulen angeordnet
sein, um den Strahl der Naht entlang abzulenken, so daß sich ein beweglicher Tisch
erübrigt. Man kann auch statt Ablenkspulen zur magnetischen Ablenkung ein elektrostatisches
Ablenksystern verwenden.
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Patentschutz wird nur begehrt jeweils für die Gesamtheit der Merkmale
eines jeden Anspruchs, also einschließlich einer Rückbeziehung.