DE2013950B2 - Verfahren zum Verändern der Fokuslage längs der Strahlachse eines zum Schweißen dienenden Elektronenstrahls - Google Patents

Description

Strahls ermöglicht. Beim erfindungsgemäßen Verfah- einer größer bzw. kleiner werdenden Fokuslage/ je-

ren wird also die Erkenntnis ausgenutzt, daß die weils geringer wird.

Winkelverteilung der rilckgestreuten Elektronen Der Bewegungsvektor des Werkstücks ist mit 10 beim Elektronenstrahl-Schweißen auf Grund der bezeichnet, während der Winkel zwischen der Achse Ausbildung einer unsymmetrischen Schweißkapillare 5 des Schweißstrabis und einer zwischen der Schweißnaht symmetrisch ist und somit der Differenzstrora stelle und einem Elektronenauffänger gezogenen Gezwischen den beiden Meßstellen oberhalb der raden mit λ bezeichnet ist. Aus der Zeichnung kann Schweißstelle jeweils ein genaues Maß für die Geo- man auch entnehmen, daß die zwischen den beiden metrie der Schweißkapillare darstellt. Elektronenauffängern 1,2 gedachte Verbindungsli-In einer Reihe von Anwendungsfällen kann es für io nie 9 parallel zum Bewegungsvektor 10 des Wencdas Verfahren nach der Erfindung vom Vorteil sein, Stücks 5 verläuft.

wenn die Fokuslage bei einem Maximum der Diffe- Im folgenden werden noch einige weitere Ausfüh-

renzstromkurve fixiert wird. Diese Steuerung über rungsbeispiele näher erläutert:
das erste Maximum der Differenzstrcimkurve stellt

eine Steuerungsmöglichkeit dar, die zu einer günsti- 15 B e i s ρ i e I 1

gen Vereinfachung hinsichtlich der Elektronik der Fokussierung des Elektronenstrahls vor Beginn der

Steuerung führt. Dagegen kann es aber auch eine Schweißung
Reihe von anderen Schweißaufgaben geben, bei

denen eine Steuerung zweckmäßig ist, die bei Errei- Eine (nicht gezeigte) elektronische Rampe läßt den chen irgend eines bestimmten, vorgegebenen und 20 Fokus des Schweißstrahls 3 durch stetiges Erhöhen nicht mit dem ersten Maximum übereinstimmenden des Stromes der elektromagnetischen Linse 7 von Sollwertes der Differenzstromkurve schaltet, um die weit (z.B. 600mm) unterhalb der Oberfläche des in diesem Falle optimale Fokuslage zu fixieren. Werkstücks 5 aus ansteigen. Der Schweißstrahl 3 ist Gemäß weiterer Ausgeüaltung der Erfindung wird auf ein bewegtes Vorschweißstück 5 oder bei Rundder Strom einer elektromagnetischen Fükussierungs- 25 nähten auf die Nahtfuge gerichtet. Sobald der Fokus linse durch Beaufschlagung mit dem Steuersignal des Elektronenstrahls in die Nähe der Werkstücksverändert und hierbei die optimale Fokuslage einge- oberfläche rückt, beginnt sich eine unsymmetrische stellt. Es ist aber auch möglich, daß die Beschleuni- Schweißkapillare auszubilden, so daß ein Differenzgungsspannung des Schweißstrahls durch Beaufschla- strom in den beiden Auffängern 1,2 registriert wird, gung mit dem Steuersignal verändert und hierbei die 30 Der Regler 6 stoppt die Steigerung des Linsenstrooptimale Fokuslage eingestellt wird. mes, sobald die Differenzstromkurve das erste Maxi-Eine Anordnung zur Durchführung des crfin- mum erreicht hat. Von diesem Augenblick an verdungsgemäßen Verfahrens kann mit Vorzug in der harrt der Fokus in seiner Höhe, wenn diese Höhe der Weise ausgebildet sein, daß oberhalb einer Schweiß- optimalen Nahtform entspricht. In einer R.eihe von stelle zwei symmetrisch zum Schweißstrahl angeord- 35 Anwendungsfällen wird diese aber nicht die optimale nete Elektronenauffänger vorgesehen sind, die mit Fokuslage darstellen, auch wenn mit ihr die tiefsten einer Steuereinrichtung zur Einstellung der optimalen Nähte geschweißt werden können, sondern eine um Fokuslage verbunden sind. Bei einer solchen Anord- einen bestimmten Höhenunterschied davon abweinung kann es von besonderem Vorteil sein, wenn die chende Fokuslage /, wie in der Zeichnung dargestellt, zwischen den beiden Elektronenauffängern gedachte 40 Diese Höhendifferenz kann von dem Steuergerät im Verbindungslinie parallel zum Bewegungsvektor des Augenblick des Rampenstops elektronisch durch Werkstücks verläuft. einen vorwählbaren Sprung in der Linsenstromstärke Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt an eingestellt werden. Auf diese Weise ist eine reprodu-Hand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel zierbare, optimale Fokussierung für jeden Anweneiner Anordnung für die Durchführung des Verfah- 45 dungsfall möglich,
rens dargestellt ist.

Bei dieser Anordnung sind zwei symmetrisch zu Beispiel/

einem Schweißstrahl 3 angeordnete Elektronenauf- Fokussierung des Elektronenstrahls vor Beginn der

fänger 1, 2 vorgesehen, die die Intensität eines von Schweißung
einem bewegten Werkstück S rückgestreuten Elektro- 50

nenstroms messen und die mit einer Steuereinrich- Die Fokuslage wird — wie in Beispiel 1 erläutert tung 6 zur Einstellung der optimalen Fokushöhe / — so lange stetig angehoben, bis der Differenzstrom verbunden sind, wobei der Differenzstrom zwischen einen vorher eingestellten Sollwert erreicht. In dieden beiden Meßstellen 1,2 als Eingangssignal für sem Augenblick wird die elektronische Rampe gediese Steuervorrichtung 6 dient. Dieses Eingangs- 55 stoppt, der Fokus bleibt auf konstanter Höhe stehen, signal wird dann in der Weise zur Einstellung der hin- und es kann geschweißt werden. Die Nahtform ist resichtlich der Bildung fehlerfreier Schweißnähte opti- produzierbar schweißbar, da die Rampenfunktion bei malen Fokuslage / verwendet, daß die Fokuslage / Wiederholung der gleichen Schweißaufgabe stets bei bei einem bestimmten vorgegebenen Sollwert der ge- der gleichen Schweißkapillarenform (Differenzstrommessenen Differenzstromkurve fixiert wird. Dies 60 stärke) beendet wird,
kann beispielsweise dadurch geschehen, daß der Strom . . ,
der elektromagnetischen Linse 7 durch Beaufschla- B ei spie. 3
gung mit dem Steuersignal verändert und hierbei die Fokussierung des Elektronenstrahls während des optimale FoKuslage/ eingestellt wird. Der Fokus Schweißens
selbst ist mit4 bezeichnet. Wenn die Fokuslage/ ih- 65

ren optimalen Wert erreicht hat, kann beispielsweise Bei unebenen Werkstücksoberflächen tritt das zwischen den beiden Elektronenauffängern 1,2 ein Problem auf, die Fokuslage entsprechend der Werkmaximaler Diffeit'nzstrom gemessen werden, der bei stückhöhe nachzuregulieren. Ist der Elektronenstrahl

zu Beginn der Schweißung optimal nach Beispiel I oder 2 fokussiert worden, so kann die Fokuslage bei Änderung der Werkstückshöhe während des Schweißens korrigiert werden, wenn eine Abfrageelektronik (mit Speicherelementen) stets den Differenzstrom auf eine Abweichung von dem eingestellten Sollwert überprüft und den Regler veranlaßt, über die Linsenstromramp; und das in Beispiel 2 geschilderte Verfahren die Fokuslage so lange zu verändern, bis der Sollwert des Differenzstromes wieder erreicht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. dungsträgerstrahl auf das zu bearbeitende Werkstück

   Patentansprüche: automatisch zu fokussieren, wobei der durch die Fokussierungslinse fließende Strom in setner Stärke

   X, Verfahren zum Verändern der Fokuslage periodisch verändert wird. Bei diesem bekannten längs der Strahlacbse eines zum Schweißen die- 5 Verfahren wird gleichzeitig mit der periodischen Ännenden Elektronenstrahls durch Auffangen der derung der Linsenstromstärke die Menge der vom zu vom Werkstück rückgestreuten Elektronen und bearbeitenden Objekt ausgehenden Ladungsträger durch Bilden eines vom aufgefangenen Elektro- gemessen, und es wird bei Erreichen eines Extreranenstrom abhängigen Steuersignals zur Steuerung wertes dieser Menge der in diesem Moment durch der Fokuslage, dadurch gekennzeicb- to die Fokussierungslinse fließende Strom festgehalten, net, daß das Steuersignal, das durch Ermitteln Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, daß die eines zwischen zwei ausemanderliegenden, ent- auf der dem Ladungsträgerstrahl zugewandte Seite sprechend der Unsymmetrie der Winkelverteilung vom Objekt ausgehenden Ladungsträger aufgefangen der rückgestreuten Elektronen oberhalb der werden, und daß bei Erreichen eines Minimums des Schweißstelle angeordneten Meßstellen (1, 2) 15 Auffängerstroms der durch die Fokussierungslinse auftretenden Differenzstromes erzeugt wird, in fließende Strom festgehalten wird, was beispielsweise der Weise zur Einstellung der hinsichtlich der üann von Vorteil ist, wenn ein Objekt mit hoher Bildung fehlerfreier Schweißnähte optimalen Fo- Elektronenemission und hohem Schmelzpunkt bearkuslage (/) verwendet wird, daß die Fokuslage (/) beitet wird. Soll dagegen ein Objekt mit niedriger bei einem bestimmten vorgegebenen Sollwert der 20 Elektronenemission und niedrigem Schmelzpunkt begemessenen Differenzstromkurve fixiert wird. arbeitet werden, so kann aber auch in der Weise vor-
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- gegangen werden, daß die auf der dem Strahl zugekennzeichnet, daß die Fokuslage (/) bei einem wandten Seite vom Objekt ausgehenden Ladungsträ-Maximum der Differenzstromkurve fixiert wird. ger beschleunigt und sodann aufgefangen werden
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch 35 und daß bei Erreichen eines Maximums des Aufgekennzeichnet, daß der Strom einer elektroma- fängerstroms der durch die Fokussierungslinse fliegnetischen Fokussierungslinse (7) durch Beauf- ßende Strom festgehalten wird.

   schlagung mit dem Steuersignal verändert und Ein «ehr ähnliches Verfahren wird in der deut-

   hierbei die optimale Fokuslage eingestellt wird. sehen Offenlegungsschrift 1 941 255 beschrieben. Bei
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch diesen bekannten Verfahren zur Regelung der Fogekennzeichnet, daß die Beschleunigungsspan- kussierung eines Ladungsträgerstrahls, τ. Β. eines nung des Schvveißstrahls (3) durch Beaufschla- Elektronenstrahls, wird lediglich der physikalische gung mit dem Steuersignal verändert und hierbei Vorgang ausgenutzt, daß aus einer Schweißkapillare die optimale Fokuslage eingestellt wird. oder einer Vertiefung weniger Elektronen rückge-
5. 5. Anordnung zur Durclifür Ting des Verfah- streut werden als von einer Ebene. Wenn also beirens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch spielsweise das bekannte Verfahren in der Weise argekennzeichnet, daß oberhalb einer Schweißstelle beitet, daß stets auf das Minimum der rückgestreuten zwei symmetrisch zum Schweißstrahl (3) an- Elektronen eingeregelt wird, so wird jedoch hiergeordnete Elektronenauffänger (1, 2) vorgesehen durch keine Gewähr dafür geboten, daß bei gegebesind, die mit einer Steuereinrichtung (6) zur Ein- 40 ner Schweißaufgabe stets diese'be Geometrie der stellung der optimalen Fokuslage (/) verbunden Schweißkapillare vorliegt.

   sind. Mit Rücksicht auf den im Vorangehenden behan-
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch ge- delten Stand der Technik liegt somit der vorliegenkennzrichnet, daß die zwischen den beiden Elek- den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Steuersitronenauffängern (1, 2) gedachte Verbindungsli- 45 gnal zur Steuerung der Fokuslage in der Weise zu nie (9) parallel zum Bewegungsvektor (10) des bilden und zu verwenden, daß dieses Signal eine wei-Werkstücks (5) verläuft. testgehend sichere und reproduzierbare Einstellung

   der Form der Schweißkapillare in Abhängigkeit von dem jeweils gestellten Schweißproblem gewährleistet.

   50 Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfin-(iung dadurch gelöst, daß das Steuersignal, das durch Ermitteln eines zwischen zwei auseinanderliegenden,

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verän- entsprechend der Unsymmetrie der Winkelverteilung dem der Fokuslage längs der Strahlachse eines zum 55 der rückgestreuten Elektronen oberhalb der Schweiß-Schweißen dienenden Elektronenstrahls durch Auf- stelle angeordneten Meßstellen auftretenden Diffcfangen der vom Werkstück rückgestreuten Elektro- renzstromes erzeugt wird, in der Weise zur Einsteinen und durch Bilden eines vom aufgefangenen lung der Hinsichtlich der Bildung fehlerfreier Elektronenstrom abhängigen Steuersignals zur Steue- Schweißnaht*, optimalen Fokuslage verwendet wird, rung der Fokuslage. Ferner bezieht sich die Erfiii- 60 daß die Fokuslage bei einem bestimmten vorgegebedung auf eine Anordnung zur Durchführung dieses nen Sollwert der gemessenen Differenzstromkurve fi-Verfahrens. xtert wird.

   Bei vorliegender Erfindung wird von einem Stand Ein ganz wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäder Technik ausgegangen, wie er im wesentlichen aus ßen Verfahrens ist darin zu erblicken, daß es die der USA.-Patentschrift 3 291 959 oder der deutschen 65 Ausnutzung einer über die Ausbildung der Schweiß-Offenlegungsschrift 1 941 255 bekannt ist. In der kapillare erhaltenen verfeinerten Information gestat-USA.-Patentschrift 3 291 959 wird ein Verfahren be- tet und damit für jeden Anwendungsfall eine optischrieben, mit dessen Hilfe es möglich ist, einen La- male reproduzierbare Fokussierung des Schweiß-