DE1943206C2

DE1943206C2 - Vorrichtung zum Führen einer Elektronenkanone

Info

Publication number: DE1943206C2
Application number: DE1943206A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Welding Research Inc
Current assignee: Welding Research Inc
Priority date: 1968-12-18
Filing date: 1969-08-25
Publication date: 1982-11-18
Also published as: US3609288A; DE1943206A1; FR2026385A1; JPS508697B1; GB1245856A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen einer Elektronenkanone zum Schweißen zweier Werkslücke längs Ihrer aneinanderstoßenden Kanten. Bei einer solchen Vorrichtung Ist es bekannt (US-PS 08 474). den Elektronenstrahl auf eine Stelle der Fügefuge der miteinander zu verschweißenden Werkstücke / richten. Ihn entsprechend dem Verlauf der Fügefuge zu führen und Ihn periodisch quer zur Richtung der Fuge schwingen zu lassen. Zweck dieser bekannten Vorrichtung Ist es. den Abstand des Fokus des Elektronenstrahls vom Werkstück zu bestimmen; das erfolgt mittels einer Elektrode, die zur Richtung des Elektronenstrahls geneigt 1st, wobei durch das periodische Schwingen der Elektrode verhindert werden soll, daß sie an einer einzigen Stelle beansprucht wird.

Die Aufgabe der Erfindung Ist dagegen, bei einer Vorrichtung dieser Art den Elektronenstrahl bei seinem FÜh·· ren längs der Fürsorge, auch wenn sie nicht geradlinig 1st* zu halten. Bislang würde diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Lage des Fokus des Elektronenstrahls gegenüber der Fügefuge optisch ermittelt wurde und danach das Werkstück öder der Elektronenstrahl gesteuert würde.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, die eine Elektrode zum Auffangen von beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf die Werkstücke erzeugten Sekundärelektronen aufweist, die an s einem Widerstand anliegt, der im Schaltkreis einer Einrichtung Hegt, die an einem Generator zum Erzeugen einer den periodischen Schwingungen des Elektronenstrahls entsprechenden Spannung und an eine Einrichtung zum periodischen Unterbrechen dieser Spannung

ίο anliegt, wobei die erstgenannte Einrichtung zum Anzeigen von den Schwingungen des Elektronenstrahls entsprechenden Signalen oder zum Steuern der Elektronenkanone entsprechend diesen Signalen geeignet ist. Auf diese Weise wird der Elektronenstrahl selbsttätig auf der Fügefuge gehalten, während er in Richtung der Fügefuge geführt wird.

Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt In

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung,

FIg 2 a, 2b u. 2c von einem Osziüoskop angezeigte Kurven, die die Lage des Elektronenschwelßstrahls gegenüber der Schweißfuge zeigen,

Fig. 3 Oszlllogramme, die die Lage des Elektronenstrahls gegenüber der Schweißfuge zeigen.

Flg. 4a eine Abwandlung eines Teile¹? der In Fig. 1 dargestellten Schaltuns,
Flg. 4b Stromschwingungen der bei Anwendung der Schaltung nach Fig. 4a entstehenden Art.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Elektronenkanone 1 mit einem den Elektronenstrahl 10 erzeugenden Elektronenemitter 2, einer Kathode 3 zum Einstellen des Abstandes des Fokus des Elektronen-Strahls 10 vom Emitter 2, einer Anode 4, elektromagnetischen Spulen 5 zum Fokussieren des Elektronenstrahls 10 auf die Breite einer Fuge 37, an der zwei Teile eines Werkstücks 9 miteinander verschweißt werden sollen, und Spulen 6 zum Ablenken des Elektronenstrahls 10 in Richtung längs und/oder quer .».ur Fu₀P 37. Ferner ist In ihr mittels Isolatoren 8 eine Elektrode 7 zum Auffangen von Elektronen vorgesehen, die beim Auftreffen des Elektronenstrahls 10 auf das Werkstück 9 reflektiert werden.

Den Ablenkspulen 6 werden Wechselströme solcher Schwingungsform zugeleitet, daß der Elektronenstrahl 10 In einer vorbestimmten Form schwingt, beispielsweise In einer Sinusform oder In einer Dreiecksform. Die Vorrichtung kann auch Sätze von rechtwinklig zueinander angeordneten Ablenkspulen aufweisen. Der Elektronenstrahl wird durch eine an den Emitter 2 angelegte Hochspannungsquelle erzeugt

Nachdem der Elektronenstrahl 10 auf das Werkstück 9 aufgetroffen Ist. durchdringt er das Werkstück und kehrt zur positiven Klemme 38 der Hochspannungsstromquelle zurück. Die Intensität dieses Stromes wird durch eine Vorspannungsquelle 11 gesteuert. Durch Veränderung des negativen Potentials der Kathode 3 gegenüber dem Emitter 2 kann der das Werkstück 9 erreichende Elektronenstrahl während des Abtastens der Fuge 37 auf eine beliebige Höhe eingestellt werden. Die Erzeugung der vom Werkstück 9 zur Sammeleiektrode 7 reflektierten Sekündärelektronen Ist maximal, wenn der Strahl 10 auf die Oberfläche des Werkstücks 9 äuftrlfft; sie wird ein Minimum, wenn der Strahl 10 fokussiert auf die Kanten der Füge 37 konzentriert 1st.

Die Erfindung kann zusätzlich dazu benutzt werden, die minimale Größe des auf das Werkstück 9

auftreffenden Elektronenstrahls zu bestimmen, d. h. die günstigsten Bedingungen für das Konzentrieren des Strahls über die gesamte Breite und Länge der herzustellenden Schweißverbindung zu schaffen.

Der Strom, der durch die Sammelelektrode 7 aufgenommenen Sekundärelektronen passiert den Widerstand 13 und kehrt zur Erde 36 zurück. Der dabei an den Klemmen 40 und 41 des Widerstandes 13 entstehende Spannungsabfall ist proportional dem von der Elektrode 7 aufgenommenen Sekundärelektronenstrom. Die Spannungsdifferenz kann den Klemmen 34, 35 eines Oszillographen 14 oder den Klemmen 16 und 17 des Oszilloskops 15 zugeführt werden. Durch den Oszillographen 14 werden die Änderungen des den Widerstand 13 durchlaufenden Stroms, die den Änderungen der Sekundäremission proportional ist, laufend aufgezeichnet, und zwar in Abhängigkeit davon, ob der Elektronenstrahl 10 auf die feste Oberfläche des metallischen Werkstücks 9 auftrifft oder auf die Fuge zwischen den beiden Werkstückplatten trifft. Wenn der Elektronenstrahl 10 quer zur Fuge 37 oszilliert, zeigt der Oszillograph 14 laufend diese Lage des Elektronenstrahls an.

Die Ablenkspulen 6 erhalten Ihren Strom von den Klemmen 28 und 29 eines Verstärkers 24 über einen Widerstand 27. Die Eingangsklemmen 25 und 26 des Verstärkers 24 liegen an Ausgangsklemmen 22 und 23 eines Signal- oder Schwingungsgenerators 21 an, der über einen weiten Frequenzbereich Ströme erzeugt, die sinusförmig, rechteckig oder dreleckförmig moduliert sein können. Entsprechend diesen Strömen wird der Elektronenstrahl 10 quer zur Längsrichtung der Fuge 37 geführt. Der Strom durchläuft zunächst den Widerstand 27, so daß an seinen Enden ein Spannungsabfall entsteht, der an die Klemme 18 und 19 des Oszllloskops 15 angelegt ist und der Im Oszilloskop 15 die Horizontalablenkung bewirkt. Das Oszilloskop 15 zeigt somit die Schwingungsform der Sekundäremission an. Wenn durch die Ablenkungsspulen 6 kein Strom fließt und somit der Elektronenstrahl 10 sich In seiner Ruhestellung befindet, bildet sich im Oszl'Oskop 15 ein punktförmlger Fleck ab, der der Ruhelage des Elektronenstrahls 10 gegenüber der Fuge 37 sowohl bezüglich der Längsrichtung als auch der Querrichtung der Fuge entspricht.

Durch Anordnung eines periodisch wirksamen Kurzschlußschalters 30, dessen Klemme 31 und 32 mit dem Ausgang drs Slgnalgenerators 21 ve("iunden sind, kann der durch die Ablenkspule 6 fließende Strom für eine vorbestimmte Zelt periodisch zur Ruhe gebracht werden so daß auf dem Bildschirm des Oszllloskops 15 ein breiter Fleck 42 erscheint, der die Ruhelage des Strahls 10 sichtbar macht. Die Perloden des Kurzschlleßens des Schalters 3i* sind derart einstellbar, daß die Öffnungsund die Schließperloden variiert werden können. Während des Öffnens des Schalters erscheint auf dem Bildschirm des OszillosÄops 15 eine Kurve 20; während des Kurzschlleßens des Schalters erscheint auf dem Bildschirm ein deutlicher Fleck. Wegen des Nachleuchtens der Kurvenbilder erscheint der Fleck der Im Oszilloskop sichtbaren Kurve überlagert. Wird das Werkstück 9 gegenüber dem Elektronenstrahl 10 bewegt, so verschiebt »Ich auch die Lage des Fleck?. Fällt der Fleck mit der Spitze der Schjylngungskurve zusammen, so Ist der Strahl 10 während seiner Ruhelage auf die Fuge 37 zentriert. Wenn das Werkstück 9 in Längsrichtung der Fuge 37 bewegt wird, ergibt sich im Oszilloskop 15 das Bild der Schwlngüngiform. Wenn der Punkt sich gegenüber der Spitze der Schw.irigungskurve verschiebt, bedeutet das, daß das Werkstück 9 nicht ordnungsgerecht zur Schweißfuge 37 ausgerichtet ist. Durch «ine auf dem Bildschirm des Oszllloskops angebrachte Kalibrierung können Lsgedlfferenzen zwischen Elektronenstrahl ?0 ijnd Fuge 37 gemessen und korrigiert werden.

Fig. 2 zeigt einige auf dem Bildschirm des Oszilloskops 15 erscheinende charakteristische Schwingungsformen 43 bei verschiedenen Ruhestellungen des Elektronenstrahls 10. Flg. 2a zeigt den Fall, daß der Elektronenstrahl 10 gegenüber der Fuge etwas nach rechts verschoben ist. Fig. 2b, bei der der Fleck 42 an der Spitze der Kurve 43 liegt, zeigt den Fall, daß der Strahl 10 auf die Fuge 37 zentriert Ist. Flg. 2c zeigt, daß der Strahl 10 etwas zur linken Seite der Fuge 37 verschoben ist.

Fig. 3 zeigt vom Oszillographen 14 aufgezeichnete Oszlllogramme, wie sie sich bei verschiedenen Stellungen des Elektronenstrahls 10 gegenüber der Fuge ergeben. Ein Oszlllogramm A bis B ergibt sich, wenn der stationäre Elektronenstrahl auf die Fuge 37 zentriert 1st. In diesem Fall wird eine minimale Sekundäremission und an den Kremmen des Widerstandes 13 eine maximale Spannung erzeugt. Ein Oszillogramu B bis C zeigt den Fall, daß der stationäre Elektronenstrahl die Fuge 31 nicht berührt. Ein Oszillogramm C bis D entsteht, wenn ein stationärer Elektronenstrahl nicht ordnungseerecht auf die Fuge zentriert ist, und zwar entweder links oder rechts uer Fuge liegt. Ein Oszlllogramm D bis E ergibt sich, wenn der Strahl zwar quer zur Fuge 37 bewegt wird, jedoch in der Ruhelage nicht auf die Fuge 37 konzentriert ist. Ein Oszlllogramm £" bis F ergibt sich, wenn sich der Strahl 10 in Ruhe befindet und nicht auf die Fuge zentriert ist. Das Oszlllogramm F bis G zeigt erneut, daß der Strahl nicht auf die Fuge zentriert ist. Von den paarweise auftretenden Spitzen der Kurve ergibt sich die erste beim Überfahren der Fuge von Links nach rechts, während die zweite Spitze sich ergibt, wenn der Strahl die Fuge von rechts nach links überstreicht. Wenn die beiden Spitzen des Paares sich aufeinander zu bewegen, zeigt das an, daß der Elektronenstrahl von der Fuge mehr und mehr abweicht. Das Oszillogramm ό bis H bedeutet, daß der Strahl unbeweglich ist und zur Fuge exzentrisch Hegt. Der Teil H bis K ergibt sich, wenn der Strahl die Fuge trifft und korrekt zu ihr zentriert ist. Hierbei sind die Spitzen in gleichen Abständen voneinander entfernt. Der Teil zwischen / und J erglbf sich, wenn der Kurzschlußschalter 30 den Ausgang des Signalgenerators kurzschließt.

Mit der In Flg. 4a dargestellten Schaltung kann zwar die Ruhestellung des Elektronenstrahls bestimmt und auf dem Oszilloskop und dem Oszillograph kenntlich gemacht werden, ohne daß ein periodisch arbeitender Kurzschlußschalter erforderlich Ist. Dabei liegen zwischen dem Ausgang 22 des Signalgenerators 21 und dem Eingang 25 des Verstärkers einander entgegengeschaltete Z3nei-Dioden 44 und 45 In Reihe. Strom kann nur flie-Ben, wenn In beiden Richtungen die Zener-Spannung der Zener-Dloden auftritt. Die durch den Sigi.algenerator erzeugte Dreiecksschwingung wird daher zu der Iu Flg. 4b veranschaulichten Form moduliert. Der Elektronenstrahl wird geradlinig bewegt und In dein Bereichen L bis Λ/ und N bis O quer zur Fuge bewegt, während In den Bereichen M bis N und O bis L der Elektronenstrahl in seiner Ruhelage 1st. Während der BereIcfiR hi bis Λ' und O bis L zeigt das Oszilloskop die Ruheläge des Strahls gegenüber der Schwingung des Sekundärelektronen-Stroms an.

Statt der erwähnten sinus- oder dneleckförmigen Schwingungen können auch andere Schwlngühgsföfmen verwendet werden. Beispielsweise könnte der Elektro-

nefistrahl auf einem Kreis bewegt werden, um eine Richtungsänderung des Strahls an seinem Umkehrpunkt zu erzeugen. Ferner können Dlskrlminatoren oder Servomotoren vorgesehen werden, die automatisch die Lage des Werkstücks gegenüber der Ruhelage des Elektronenstrahls derart ändern, daß der Strahl während seiner Bewegung längs der Fuge gut auf der Fuge zentriert bleibt; das ergibt eEn sehr wirtschaftliches Schweißverfahren.

Es Ist ferner möglich, das Oszlllogramm des Oszillographen und die Lage des Punktes 42 auf der Kurve 43 des Oszllloskops mittels lichtempfindlicher Zellen abzutasten und die Bewegungen des Werkstücks entsprechend zu steuern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Führen einer Elektronenkanone, die zum Elektronenschweißen einen auf eine Stelle der Fügefuge zweier zu verschweißender Werkstücke gerichteten Elektronenstrahl erzeugt, entsprechend dem Verlauf dieser Fügefuge, wobei der Elektronenstrahl periodisch quer zur Richtung der Fuge schwingt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (7) zum Auffangen von beim Auftreffen des Elektronenstrahls (10) auf die Werkstücke (9) erzeugten Sekundärelektronen an einem Widerstand (13) anliegt, der im Schaltkreis einer Einrichtung (15) liegt, die an einem Generator (21) zum Erzeugen einer den periodischen Schwingungen des Elektronenstrahls (10) entsprechenden Spannung und an einer Einrichtung (30) zum periodischen Unterbrechen dieser Spannung anliegt, wobei die erstgenannte Einrichtung (15) zum Anzeigen von den Schwingungen des Elektronenstrahls entsprei/üenden Signalen oder zum Steuern der Elektronenkanone entsprechend diesen Signalen geeignet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum Regeln der Größe der Schwingungen des Elektronenstrahls und eine Einrichtung zum Regeln der Periode der Unterbrechungen aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erstgenannte Einrichtung (15) ein Oszilloskop Ist, dessen eine Gruppe von Ablenkplatten ("6, 17) an dem genannten Widerstand (13) anliegt, während dessen andere Ablenkplattengruppe (18, 19) mit der die Schwingungen des Elektronenstrahls periodisch unterbrechenden Einrichtung (30) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem genannten Widerstand (13) zusätzlich ein Oszillograph (14) liegt.