DE2141971A1

DE2141971A1 - Verfahren zum fokussieren des elektronenstrahls beim elektronenstrahlschweissen

Info

Publication number: DE2141971A1
Application number: DE2141971A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl Phys Dr Scheffels
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1970-03-24
Filing date: 1971-08-21
Publication date: 1973-03-01
Also published as: DE2013950C3; DE2013950B2; DE2013950A1; DE2141971B2

Description

Verfahren zum Fokussieren des Elektronenstrahls beim Elektronenstrahlschweißenl' Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fokussieren des Elektronenstrahls beim Elektronenstrahlschweißen durch Auffangen des von einem bewegten Werkstück zurückgestreuten Elektronenstroms, durch Messen dessen Intensität und durch Verwenden des Elektronenstroms als Eingangssignal für eine Steuervorrichtung, die kontinuierlich für eine hinsichtlich der Erzeugung fehlerfreier Schweißnähte optimale Fokus-Höhe sorgt, wobei die Intensität des rückgestreuten Elektronenstromes an wenigstens zwei auseinanderliegenden Meßstellen festgestellt und als Eingangssignal für die Steuervorrichtung der zwischen den beiden Meßstellen bestehende Differenzstrom verwendet wird, und Patent ......
(P 20 13 950.8). Das Verfahren nach dem Hauptpatent ermöglicht ein schnelles, reproduzierbares und sicheres Fokussieren des Elektronenstrahls.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Erkenntnis zu Grunde, daß die räumliche Richtungsverteilung des riickgestreuten Elektronenstroms bei optimaler Tiefe der im Werkstück erzeugten Schweißkapillare am sciimalsten ist, wobei die Richtung des Maximums der Streuverteilung in unmittelbarer Umgebung des Elektronenstrahls bzw. der Elektronenstrahlrichtung liegt, während andererseits die Gesamtzahl der rückgestreuten Elektronen am geringsten ist.
Es ist daher bei einem Verfahren zum Fokussieren des Elektronenstrahls beim Elektronenstrahl schweißen nach dem Hauptpatent erfindungsgemäß vorgesehen, zur Berücksichtigung der sich bei optimaler Schweißtiefe ergebenden rärnnlichen Richtungsverteilung des rückgestreuten Elektronenstroms die Meßstellen in der Weise anzuordnen, daß sich eine erste Meßstelle in Richtung des bei optimaler Schweißtiefe vorliegenden Maximums der Richtungsverteilung befindet und wenigstens eine zweite Meßstelle in der Nähe der ersten Meßstelle liegt.
Beide Meßstellen sind hierbei in einer parallel zur Schweißnaht verlaufenden zinke angeordnet. Da hierdurch die rückgestreuten Elektronen in einem geeignet kleinen Raumwinkelbereich der Streuverteilung aufgefangen werden können, ergibt sich eine sehr hoheMeßgenauigkeit und damit die Möglichkeit, die beste Fokuseinstellung sehr leicht aufzufinden.
Es kann ferner recht vorteilhaft sein, wenn zur Berücksichtigung der Gesamtstrõmabnahme des rückgestreuten Elektronenstroms bei optimaler Tiefe der Schweißkapillare zwei weitere Neßstellen jeweils in etwas größerem Abstand vom Verteilungsmaximum vorgesehen werden, wobei dann als Eingangssignal für die Steuervorrichtung für die optimale Fokushöhe das Verhältnis der zwischen den natle beim Verteilungsnlaxilllutll befindet lichen Meßstellen einerseits und den im Abstand vom Verteilungsmaximum angeordneten Meßs teIlen andererse i ts bes teiiende Differenzströme verwendet wird. Sämtliche Neßs te Llen befinden sich hierbei in einer parallel zur Sciiweißnaht gerichteten gemeinsamen Linie oberhalb des Werkstückes.
Bei gewissen Schweißvorgängen (z.B. wenn eine hohe Strahlleistung, etwa 10 kW, und Schweißgesc]lindiglçeiten 9 10 mmfs vorgegeben sind, oder beim Wedeln des Schweißstrahles in der Richtung der Schweißnaht) kann im Falle optimaler Schweißtiefe die räumliche Richtungsverteilung des rückgestreuten Elektronenstromes quer zur Schweißnaht schmaler sein als in Richtung der Schweißnaht. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, besteht gemäß Weiterbildung der Erfindung die Möglichkeit, die zweite Meßstelle, bzw. wenigstens ein zweite Meßstelle, nicht mit der ersten Meßstelle in einer Richtung parallel zur Schweißnaht anzuordnen, sondern seitlich von der Naht in der Nähe der ersten Meßstelle, so daß die Meßstellen dann in einer gemeinsamen, quer zur Schweißnaht verlaufenden Linie oberhalb des Werkstückes liegen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Fokussieren des Elektronenstrahls geniäß dem liauptpatent; Fig. 2 jeweils einen Querschnitt durch eine im Bereich der bis 5 Berührungsfläche zweier Werkstücke erzeugte Schweißkapillare bei variierter Fokus-Einstellung des Elektronenstrahls und damit variierter Richtungsverteilung des rückgestreuten Elektronenstroms; i isr. 6 eine schematisch dargestellte Anordnung von mehreren Meßstellen oberhalb einer Schweißnaht zur Ermittlung der Intensität des rückgestreuten Elektronenstromes, und Fig. 7 jeweils eine Draufsicht auf zwei miteinander zu und verschweißende Werkstücke mit oberhalb der zu bilden-Fig. 8 den Schweißnaht angeordneten Meßstellen zur Ermittlung der Intensität des rückgestreuten Elektronenstromes.
Nach Fig. 1 sind zwei symmetrisch zu einem Schweißstrahl 3 angeordnete Elektronenauffänger 1, 2 vorgesehen, die die Intensität eines von einem bewegten Werkstück 5 rückgestreuten Elektronenstromes 8 messen. Der Differenzstrom zwischen diesen beiden Meßstellen dient als Eingangssignal für eine Steuervorrichtung 6, die ein Regler, etn Anzeigeinstrument oder dergleichen sein kann, und den Strom einer elektromagnetischen Linse 7 derart steuert, daß zur Erzeugung fehlerfreier Schweißnähte ständig eine optimale Fokushöhe f eingehalten wird. Der Fokus ist mit 4 gekennzeichnet. Die zwischen den beiden Auffängern 1, 2 gedachte Verbindungslinie 9 verläuft parallel zum Bewegungsvektor 10 des Werkstückes 5.
Bei richtiger Fokushöhe erzeugt der Schweißstrahl 3 auf der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstückes 5 eine Art Kapillare, die infolge der Bewegung des Werkstückes zu einer asymmetrischen Reflexion des Elektronenstromes 8 führt.
Hat die Fokushähe ihren optimalen Wert erreicht, wird zwischen den beiden Elektronenauffängern 1, 2 ein maximaler Differenzstrom gemessen, der bei größer, bzw. kleiner werdender Fokushöhe geringer wird.
In den Figuren 2 bis 5 ist jeweils eines von zwei durch Elektronenstrahl-Nahtverschweißung miteinander zu verbindenden Werkstücken mit 11, die Richtung des auf die Werkstücke auftreffenden Elektronenstrahls mit 12 und die Richtung der Bewegung der Werkstücke relativ zum Elektronenstrahl mit 13 bezeichnet. Es ist aus den Figuren 2 bis 5 ersichtlich, daß die jeweilige, durche den Elektronenstrahl erzeugte Schweißkapillare 14, 15, 16 oder 17 unsymmetrisch geformt ist, während die Tiefe einer solchen Schweißkapillare von der jeweiligen Einstellung der Fokushöhe des Elektronenstrahls oberhalb der Schweißnaht abhängig ist.
Da nun auch die Richtungsverteilung des von den Werkstücken, bzw. von der Schweißkapillare rückgestreuten Elektronenstromes im Halbraum über der Schweißstelle entsprechend unsymmetrisch ausfällt, läßt sich aus dieser Winkelverteilung auf die Geometrie der Schweißkapillare schließen, bzw.
die entsprechende Einstellung des Elektronenstrahls genau feststellen.
Die Figuren 2 bis 5 zeigen auch die von der jeweiligen Geometrie der Schweißkapillare 14, 15, 16 und 17 abhängige unsymmetrische Richtungsverteilung der rückgestreuten Elektronen. Wie sich durch Vergleich der Richtungsverteilungen gemäß den Figuren 2 bis 5 leicht einsehen läßt, ist die Richtungsverteilung bei optimaler Schweißtiefe am schmalsten und das Maximum der Richtungsverteilung besitzt eine in unmittelbarer Umgebung der Richtung 12 des Elektronenstrahls befindliche Richtung 18 (Fig. 5).
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt nun ein Feststellung, bzw. eine genaue Einstellung der optimalen Fokushöhe des Elektronenstrahls durch Ermittlung der von der Geometrie der Schweißkapillare abhängigen Richtungsverteilung der rückgestreuten Elektronen (ggf. auch der Sekundär-Elektronen).
Vorteilhafte Anordnungen von Meßstellen zur Feststellung der Intensität der rückgestreuten und/oder der Sekundär-Elektronen sind in den Figuren 6 bis 8 dargestellt.
Gemäß Fig. 6 sind vier Elektronenauffänger (Sensoren) 22, 23, 24 und 25 oberhalb des Werkstücks 19 in einer Linie parallel zur Schweißnaht angeordnet. Der Sensor 23 befindet sich nahe am Elektronenstrahl 26 und in Richtung des Maximums der Richtungsverteilung der rückgestreuten und/oder Sekundär-Elektronen. Der Sensor 22 liegt parallel zur Richtung 21 der Werkstückbewegung hinter dem Sensor 25 und nahe bei diesem.
Bei einem Maximum der Differenz der Sensorenströme 1 - 122 23 besitzt die Schweißkapillare 20 ihre optimale Tiefe.
Um die Abnahme des Gesamtstroms der von der Schweißkapillare 20 refl-ektierten Elektronen bei der optimalen Schweißtiefe zu berücksichtigen, sind die Sensoren 24 und 25 auf der zur Werkstück-Bewegungsrichtung 21 entgegengesetzten Seite des Elektronenstrahls 26 angeordnet. Die Differenz der Sensorenströme I24 ~ I25 wird ebenfalls gemessen. Die optimale Schweißtiefe liegt dann bei einem Maximum des Verhältnisses V der beiden Stromdifferenzen vor: 123 - I22 - V Max 124 I 25 Die Figuren 7 und 8 zeigen jeweils zwei Werkstücke 27 und 19, die an ihrer gegenseitigen Berührungsfläche 36 stumpf miteinander verschweißt werden sollen. Der senkrecht zur Zeichenebene in die Berührungsfläche 36 eintretende und eine momentane Schweißstelle 30 erzeugende Elektronenstrahl bewegt sich relativ zu den Werkstücken 27 und 29 in Richtung des Pfeil es und hinterläßt eine Verbindungszone 28 (Schweißnaht).
Gemäß Fig. 7 sind nun drei Sensoren 31, 32 und 33 in einer quer zur Schweißnaht 28 verlaufenden Richtung nebeneinander angeordnet, wobei sich der Sensor 32 nahe am Elektronenstrahl und in Richtung des Maximums der Richtungsverteilung der rückgestreuten Elektronen befindet. Die beiderseits der Schweißnaht 28 und in der Nähe der Meßstelle 32 vorgesehenen Sensoren 31 und 33 sind elektrisch parallel geschaltet. Hierdurch wird dem Umstand Rechnung getragen, daß bei gewissen Schweißvorgängen die Richtunsverteilung der reflektierten Elektronen quer zur Schweißnaht 28 schmaler ist als in Richtung der Schweißnaht.
Bei sehr tiefen und schmalen Schweißnähten, wie sie z.B. beim Elektronenstrahl-Impulsschweißeneentstehens kann eine Anordnung von Sensoren 34 und 35 gemäß Fig. 8 zweckmäßig sein.
Hierdurch läßt sich die Empfindlichkeit für die Messung der Richtungsverteilung der rückgestreuten und/oder Sekundär-Elektronen noch erhöhen. Der Sensor 34 befindet sich nahe am Elektronenstrahl und in Richtung des Verteilungsmaximums des rückgestreuten Elektronenstroms, während der Sensor 35 kreisringförmig ausgebildet und praktisch um den Sensor 34 herum angeordnet ist. Eine schlitzförmige Aussparung oder Bohrung des Sensors35 dient zum Durchtritt des Elektronenstrahls.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Fokussieren des Elektronenstrahls beim Elektronenstrahlschweißen durch Auffangen des von einem bewegten Werkstück rückgestreuten Elektronenstroms, durch Messen dessen Intensität und durch Verwenden des Elektronenstroms als Eingangssignal für eine Steuervorrichtung, die kontinuierlich für eine hinsichtlich der Erzeugung fehlerfreier Schweißnähte optimale Fokushöhe sorgt, wobei die Intensität des rückgestreuten Elektronenstroms an wenigstens zwei auseinanderliegenden Meßstellen festgestellt und als Eingangssignal für die Steuervorrichtung der zwischen den beiden Meßstellen bestehende Differenzstrom verwendet wird, nach Patent ...................... (P 20 13950.8), dadurch gekennzeichnet, daß zur Berücksichtigung der sich bei optimaler Schweißtiefe ergebenden räumlichen Richtungsverteilung des rückgestreuten Elektronenstroms die Meßstellen in der Weise angeordnet werden, daß sich eine erste Meßstelle in Richtung des bei optimaler Schweißtiefe vorliegenden Maximums der Richtungsverteilung befindet und wenigstens eine zweite Meßstelle in der Nähe der ersten Meßstelle liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berücksichtigung der Gesamtstromabnahme des rückgestreuten Elektronenstromes bei optimal er Schweißtiefe zwei weitere Meßstellen (24, 25) jeweils in etwas größerem Abstand vom Verteilungsmaximum vorgesehen sind, wobei als Eingangssignal für die Steuervorrichtung das Verhältnis der zwischen den Meßstellen (23, 22) und (24, 25) bestehenden Differenzströme verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berücksichtigung der sich bei optimaler Schweißtiefe quer zur Schweißnaht ergebenden Richtungsverteilung des reflektierten Elektronentromes wenigstens eine zweite Meßstelle (31) oder (33)4von der Naht in der Nähe der ersten Meß- stelle (32) angeordnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu beiden Seiten der Schweißnaht (28) Meßstellen (31, 33) in der Nähe der ersten Meßstelle (32) und symmetrisch zueinander angeordnet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstellen (31 und 33) parallel geschaltet werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßstelle durch einen kreisringförmigen, um den an der ersten Meßstelle (34) oberhalb der Naht vorgesehenen Elektronenauffänger herum angeordneten Auffänger (35) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffänger (35) einen Schlitz zum Durchtritt des Elektronenstrahls aufweist.