DE1915459A1 - Elektronenstrahlschweissmaschine - Google Patents

Description

21.3.69 . P

B/pe

Vereinigte Plugtechnische Werke

Gesellschaft mit beschränkter Haftung

früher "Weser" Flugzeugbau/Focke-Wulf/Heinkel-Flugzeugbau

Elektronenstrahlschweißraachine

Z>ie Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erfassung der Lage des Schweißpunktes und des Schweißstoßes zu schweißender Materialien, insbesondere für Elektronenstrahl- oder Laserstrahlverfahren·

Elektronenstrahl-Schweißmaschinen werden dazu verwendet, um schwer schweißbare Materialien schweißen zu können. Gerade bei diesen Materialien kommt es aber auch darauf an, exakt verlaufende Schweißnähte zu erhalten, was eine besondere Überwachung des Schweißvorganges erforderlich macht. Tier Schweißvorgang selbst findet im Innern einer Vakuumkammer statt, so daß die Beobachtung des Vorgangs nur durch Spezialfenster möglich ist.

Die bekannten Einrichtungen gestatten nur das Schweißen gerader oder kreisförmiger Nähte und machen zuvor ein genaues Einrichten des unter dem Elektronenstrahl durchzuführenden Werkstückes notwendig. Während des SchweiQvorgangee kann auf die Nahtbewegung und die fitrahlrichtung kein Einfluß mehr genommen werden« Es tat daher nicht möglich, einmal Nähte beliebigen Ver laufe zu schweißen und zum anderen Gegenmaßnahmen bei Störungen einzuleiten. Beim herrköramliehen Betrieb ergeben

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sich grundsätzlich zwei Störangriffspunkte, nämlich ein Auslaufen der Mechanik und ein unerwünschtes Auslenken des Elektronenstrahles als Folge von magnetischen Störfeldern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, jederzeit korrigierend in den Schweißvorgang einzugreifen zu können*

Erfindungsgemäß geschieht das dadurch, daß eine Optik vorgesehen ist, die die Lichtstrahlen des Schweißpunktes auffängt und einer elektro-optischen Wandlerschaltung zuführt, die ein der Lage des Schweißpunktea proportionales elektrisches Ausgangssignal liefert.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Erfassung der

Lage des Schweißpunktes und eine Elektronenstrahlkanone ;

Fig. 2 zeigt-eine Auswert einrichtung in Form

einer elektrischen Brückenschaltung und

Fig. 2a zeigt die Draufsicht auf die gemeinsamen Lichtleiter ;

Fig. 3 zeigt die Brück ens chal.1n.mg mit Solarzellen und

Fig. 3a die Verbindung zu einor Quotientenbrücke ;

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Pig. 4 zeigt eine Schaltung zur Stabilisierung der Helligkeitsunterschiede ;

Fig. 5 geigt eine Spiegelanordnung zur Bestimmung der Lage des Schweißpunktes mittels eines Sägezahngenerators gemäß Fig. 5a.

In der Elektronenstrahlkanone 1, die sich in der Vakuumkammer 6 befindet, werden aus der gegenüber der Anode 2 sehr hoch negativ vorgespannten, geheizten Wolframkatfcode 3 Elektronen emissioniert und gegenüber der Anode 2 beschleunigt. Die Stärke des so gebildeten Elektronenstrahles 4 kann durch Variation der gegenüber dem Kathodenpotential negativen Spannung am Steuergitter 5 eingestellt werden. Durch eine Öffnung in der Anode gelangt der Strahl auf den Stoß 7 des zu schweißenden Werkstückes 8, wobei mit Hilfe der Fokus si erungs spule 9 der geeignete Strahldurchmesser eingestellt wird. Der entstehende Schweißpunkt 10 ist zugleich Quelle des Lichtstrahles 11, der über einen Umlenkspiegel 12 auf eine Optik 13 gelangt. Der Optik 13 ist eine elektro-optische Wandlerschaltung 14 zugeordnet, die den Lichtstrom in ein elektrisches Signal 15 umformt, dessen Größe abhängig ist vom Einfallwißkcil des Lichtstrahles in die Optik.

Der Elektronenstrahl kann durch äußere Einflüsse aus seiner Lage abgelenkt werden, so daß der Schweißpunkt sich nicht mehr auf dem Stoß befindet. Die Lageänderung des Schweißpunktes zeigt sich sofort im Ausgangssignal 9 und kann damit zur Korrektur herangezogen werden. Hierzu wird das Signal einer Regeleinrichtung zugeführt, die auf die Ablenkspule 16 des Elektronenatrahles wirkt. Damit wird dieser sofort in die normale Lage zurückgeführt.

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Die Optik 7 wird zweckmäßig alB telekopisehe Optik ausgeführt. Das hat den Vorteil, daS fier Lichtstrahl nahezu verzerrungsfrei, d.h. linear, übertragen wird. Die Optik gestattet weiter, die Fläche des Strahlen·» bündeis zu variieren. Durch Einfügen eis®r geeigneten Blende an der Stelle des geraansamen Brennpunktes zwischen Objektiv und Okular IaEt sieh sudem die Form des Strahlenbündels beeinflussen. Das Ausgangssignal 9 kann einer Brücleraehaltung übernommen werten» Dies©s zeigt die Fig. 2. Um sowohl in der x- als auch in der y-Richtung kontinuierlich arbeiten zu kSnaeiip ist für jede Richtung eine Wheateton'sche Brück© v©rges©Iaeno Mit 20 sind vier Lichtleiter bezeichnet, di© mit ihraa einen Ende zusammengefügt sind,u& wie Figo 2a saigt θ©₉ daß sich vier gleiche Segmente bilden» Di© j© liegenden Segmente sind in einer Brück© Dieses veranschaulicht wieder die Fig« 2₉ wo den freien Enden der Lichtleiter 20 Photowiderstänäe 21 zug®oräa©t sind. Diese Photowiderstände sind elektrigsh su je einer Brücke in der y- und der x-Riefatung verbundene B©i Anlegen einer Brückenspannung U erhält man als Sigpsl= spannung einmal die Spannung Ux und zum anieren di© Spannung Uy. Um ein optimales Äusgangssignal reichen, wird erfindungsgemäß die Fläche ä@m

™ bündsls in Form und Inhalt gleich der Fläcll© _ft@s Liefeiä leiterfuBpunktes gemacht»

In einer weiteren Ausführunggfora der eine Einrichtung vorgeschlagen«, die es beliebige Schweißnaht® herzustellen» einen geometrischen Abgleiefe dei? Brür&®&o I¹Z durcfe ein® Verschiebung ö®e Fttßpjakf»» ^f2s'S t 20 is. der xy<~Ebene. Dieses ersislt »sn Cc^Qt SoIl-Iet^ertvergleich, wafesi iei 3oll?ci[ «, cilr,cG

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wert entspricht und der Istwert jeweils gleich der Brückenspannung Ux bzw. Uy ist. Der Abgleich erfolgt über zwei Servomotoren in Abhängigkeit der Differenzspannung.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ersetzt die Brückenschaltung mit den Lichtleitern durch vier Solarzellen. Dieses zeigt die Fig. 3a. Die Solarzellen 31 sind elektrisch ebenfalls in der x- und y-Richtung je zu einer Brücke zusammengefaßt. Die Solarzellen wandeln den Liehtstrom in eine elektrische Ausgangsgröße um.

Diese Solarzellen können auch gemäß Fig. 3a im Fußpunkt der Brücke schachbrettartig gestaltet sein, wobei die Flächen 35x und 35y jeweils zu einer Brücke zusammengeschaltet sind. Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß Verschiebungen des in Form und Inhalt der Fläche des Fußpunktes angepaßten Strahlenbündels an jeder Hälfte der zugeordneten Brücke die gleiche mit der Auslenkung linear verknüpfte elektrische Verstimmung anstehen lassen.

Im Gegensatz zur Fig. 2 wird hier bei den letzten beiden Brückenanordnungen jedoch von einer Quotientenbrücke Gebrauch gemacht, wie sie näher in Fig. 3a veranschaulicht ist. Der Einfachheit halber ist nur ein Brückenzweig, u.z. die x-Brttcke, dargestellt. Der Kurzschlußstrom der beiden Solarzellen 31x wird über je einen Verstärker in eine proportionale Spannung umgeformt. Diese Spannungen werden einer Divieionsschaltung sugefUgt, die aus einem Verstärker 32 und einem im Rückführ si weig liegenden Multiplikator 33 besteht. Das Auegangeaigml 34 ist wieder proportional der Lage de· Schwdiapunktes« Diese Quotientenbrücke bietet den

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Vorteil, daß Helligkeitsunterschiede des Schweißpunktes, die auch auftreten können ohne daß der Schweißpunkt seine vorgeschriebene Richtung verläßt, ausgeglichen werden, d.h., das Ausgangssignal 34 ist unabhängig von den normalen Helligkeitsschwankungen des Schweißpunktes und linear mit der Auslenkung des Schweißstrahles verknüpft.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel zur Helligkeitsstabilisierung des Lichtstrahles. Der aus der Optik austretende Lichtstrahl wird parallel über einen prismatischen Strahlenteiler 41 auf zwei Zweige abgegeben. Die Zweige haben je zwei Polarisationsfilter 42a bzw. 42b und je eine Kerr-Zelle 43a bzw. 43b. Biese Kerr»Zeilen haben die Eigenschaft, die Ebene des im ersten Polarisationsfilter linear polarisierenden Lichtes in Abhängigkeit der angelegten Spannung zu drehen und somit den Lichtstrom am Ausgang des zweiten Polarisationsfilters zu beeinflussen. Um eine bestimmte, konstante Lichtstärke am Ausgang dieser Polarisations» filter zu haben, ist dem Polarisationsfilter 42b eine Photozelle 44 nachgeschaltet, die über einen Regler 45 die Kerr-Zellen 43 beeinflußt. Am Ausgang des Polarisationsfilters 42a ist wiederum ein elektrooptischer Wandler 8 vorgesehen, dessen Ausgangssignal 9 unabhängig von den Helligkeitsschwankungen des SchweiQpunktes bleibt.

Die Schaltung läßt sich dahingehend abwandeln, daß die Kerr-Zellen 43a und 43b durch eine Einrichtung ersetzt werden, die die Polarisationsfilter 42a baw. 42b gegeneinander verdrehen, womit äer gleiche Effekt erzielt wird.

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Pig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel zur Bestimmung der Lage des Scht?eißpunktes. Hierzu wird der aua der Optik austretende Lichtstrahl auf einen Umlenkspiegel 51 geworfen., dessen Auslentawinkel cL· von einem Säge» zahngenerator bestimmt wird* Der vom Umlenkspiegel 51 reflektierte Strahl wird auf eins Fläche 52 gegeben, in deren Mitte ein elektro-optiseher Wandler 53 angeordnet ista Jedes Mal, wenn der Strahl auf diesen Wandler 53 fSllt_s wird dar Sägesahngenerator in seine O-Lage zurückgestellte Die Spitzenwerte des Sägezahngenerators sind daait proportional der Lage des Schweißpunktes »

Mit den bisher beschriebenen Anordnungen kann nur die Lage des SchweiSpunktes bestimmt werden. Darüber hinaus ist es aber auch erforderlich, die Lage dee Stoßes vom Schweißgut zu ermittelst um Abweichungen beim Transport des Söliweidgutes erfassen und gegebenenfalls susgleichen zu lcSsmen. Hi@rsu ist erf indungsgemäß vorgesehen? unmittelbar vor den Sehweißpunkt den Lichtstrahl einer homogenen Lichtquelle auf den Stoß zu richtenο Bar reflektiert© Strahl wird gleichfalls ö©m ©lelstro-optiselies. WaadHar augeführt, dem zweck-

siar Unterdnlekimg der Sturwirkungexi des vom hwsiipunkt amsgeli©ad©ri Lichtes ein -optisches Filter

ist» Am Ausgang des ©Isktro-optischen steht dasa sin fier Lage des Stoßes proportionales Signal

Erfassung &®τ Lage d@s Stoßes kann d«r Strahl der ©b@nf©lle übmr @isi#n durch tinen Sägezahn-

mMb®T%n Spiegel über d@n Stoß des su Material» g^filtts't und &®r r©flektierte

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Strahl auf einen elektro-optiechen Wandler gegeben werden, dessen Ausgangesignal den Sägezahngenerator in die O-Lage zurückbringt, womit die Spitzenwerte der Sägezähne proportional der Lage des Stoßes sind.

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Claims (11)

21.3.1969 P B/pe Patentansprüche .

1.^Anordnung zur Erfassung der Lage des Schweißpunktes

des Schweißstoßes zu schweißender Materialien, insbesondere für Elektronenstrahl- oder Laserstrahlverfahren, dadurch gekenn ze ichnet, daß eine Optik (7) vorgesehen ist, die die Lichtstrahlen (5) des Schweißpunktes auffängt und einer elektro-optischen Wandlerschaltung (8) zuführt, die ein der Lage des Schweißpunktes proportionales elektrisches Ausgangssignal (9) liefert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine teleskopische Optik vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurchgekenn zeichnet , daß die elektro-optischen Wandler (8) eine »'/heats ton'sehe Brücke bilden, die selbstkompensierend von einem Servomotor angetrieben den Abweichungen des Schweißpunktes folgt.

4. Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daS der Optik vier Lichtleiter

(20) aaohgeaohaXtst aindj die mit eintra End® in einer garaeineaasn i& ύϊφτ Segmenten aufgeteilten Fläche zvMasmengßt&H% ©IM und äi® ja in der x- und y-Aohse durch siig§@rdri&te @l@kts.*©=»epti@ohe Wandler (21) eine

bilden *

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5. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß zur Helligkeitsstabilisierung eine Quotientenbrücke vorgesehen ist, deren Eingangsglieder zwei elektro-optische Wandler (3 Ό sind, an deren Ausgang ein dem Quotienten des Eingangssignales proportionales Signal (34) ansteht.

6. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daQ zur Helligkeitsstabilisierung der Lichtstrahl des SchweißpunktΘ3 je zwei Polarisationsfiltern (42a, 42b) zugeführt ist und daß die Strahlehintensität der Ausgangssignale durch Verdrehen der Filter über eine selbstkompensierende Brücke auf einem Konstantwert gehalten wird.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsfilter fest angeordnet sind und daß zwischen ihnen eine Kerr-Zelle (43a, 43b) eingefügt ist, die eine Drehung des Lichtstrahles bewirkt.

8. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umlenkspiegel (51) vorgesehen ist, dessen Auslenkwinkel cC durch einen stetig arbeitenden Sägezahngenerator bestimmt wird und der den empfangenden Lichtstrahl auf eine Fläche (52) Wirft, in deren Mitte ein elsktro-optiaeher Wandler (53) angeordnet ist, der bei jedem auftreffenden Lichtstrahl ein Ausgangssignal· liefert, das den Säge«· ssahngenerator in die O-Lage bringt, so daS die Spitzenwerte der Sägezähne proportional der Lage des Schwerpunktes sind.

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9. Anordnung insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß unmittelbar vor dem SchweiSpunkt der Lichtstrahl einer homogenen Lichtquelle auf den Stoß gerichtet ist und daß der reflektierte Strahl über eine Optik und optische Filter auf einen elektro-optischen Wandler führt, an dem ein der Lage des Stoßes propotionales Signal ansteht.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl einer Lichtquelle über einen durch einen Sägezahngenerator auslenkbaren Spiegel über den Stoß der zu schweißenden Materialien führt und daß die Reflektion des Strahles auf einen elektro-optischen Wandler trifft, dessen Ausgangssignal den Sägezahngenerator in die O-Lage bringt, so daß die Spitzenwerte der Sägezähne proportional der Lage des Stoßes sind.

11. Anordnung nach Anspruch 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet , daß das proportional der Lage des Stoßes bzw. Schweißpunktes gewonnene Ausgangssignal einer Regeleinrichtung zugeführt ist.

Vereinigte Flugtechnische Werke GmbH Bremen

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