DE2230509A1

DE2230509A1 - Verfahren zum auffinden des mittelpunktes einer in einem koerper gebildeten oeffnung beim schweissen mit elektronenstrahlen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2230509A1
Application number: DE2230509A
Authority: DE
Inventors: Albert M Sciaky
Original assignee: Welding Research Inc
Current assignee: Welding Research Inc
Priority date: 1971-07-26
Filing date: 1972-06-22
Publication date: 1973-02-08
Also published as: DE2230509C2; US3814896A; JPS5213186B1; GB1370503A; GB1372483A; IT954718B; CA946480A; FR2149059A5; BE784672A; CH575257A5; CH569256A5

Description

Dipl.-Ing. E. E. Finkener

Dipl.-Ing. W. Ernesti Welding Research, Inc.

Patentanwälte OMcagO , Illinois /USA

463 Bochum .

Heinrich-König-Straße 12

Fernsprecher 415 SO, 4 23 27

Telegrammadresse: Kadipatent Bochum

72 120
EEF/US

Verfahren zum Auffinden des Mittelpunktes einer in einem Körper gebildeten Öffnung beim Schweißen mit Elektronenstrahlen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Schweißen mit Elektronenstrahlen, insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anbringen von Rohren in Köpfen von Wärmeaustauschern durch Schweißen mit Elektronenstrahlen. Bei der Herstellung von Wärmeaustauschern ist es notwendig, die Enden einer Vielzahl von Rohren, die in eine vorgegebene Anordnung von Löchern eingesetzt sind, in einer sogenannten Rohrscheibe durch Schweißen anzubringen. Die Anzahl der Rohre und ihr Durchmesser hängt von der Größe des Wärmeaustauschers ab und es kommt häufig vor, daß für bestimmte Anwendungsgebiete 15 000 Rohre mit einem Durchmesser von 1,6 cm in die Scheibe eingeschweißt werden müssen. Die Metalle, die für Wärmeaustauscher verwendet werden, müssen eine hohe Wärmebeständigkeit haben und sind bisher mittels des Wolfram-Inertgas-Schweißverfahrens geschweißt worden.

Anfänglich wurde die Arbeit bei einem sehr niedrigen Produktionsausstoß von vielleicht 200 bis 300 Rohren pro Monteur und Woche mit fraglicher Qualität ausgeführt, insofern als das manuelle Wolfram-Inertgas-Schweißverfahren Ergebnisse liefert, die von der Geschicklichkeit und der Beurteilung der Bedienungsperson abhängen. Später wurde ein automatisches Schweißverfahren eingeführt, um die Geschwindigkeit des Arbeitsprozesses zu vergrößern und ' eine größere Beständigkeit sicherzustellen. Hierzu war

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eine Maschine erforderlich, bei der der Schweißbrenner oberhalb eines Rohres angeordnet, der Draht genau eingestellt und darauf geachtet werden mußte, daß ein stabiler reproduzierbarer Lichtbogen sichergestellt wurde. Dies führte zu einer erhöhten Schweißgeschwindigkeit und zu einer verbesserten Qualität. Die Produktion nach diesem Verfahren erreichte eine Spitze von annähernd 1500 Rohren pro Monteur und Woche,""war jedoch auf diese Geschwindigkeit begrenzt, weil es notwendig war, den Schweißbrenner Ί0 von Hand von Rohr zu Rohr zu bewegen und oberhalb des Mittelpunktes jedes einzelnen Rohres anzuordnen. Die Schweißung nach der erwähnten Methode war eine Kehlnaht, die nur visuell überprüft werden konnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren zu verbessern und die Anbringung der Rohre an den Köpfen von Wärmeaustauschern durch eine Schweißung mit Elektronenstrahlen und Arbeitsgeschwindigkeiten vorzunehmen, die mit den bekannten Schweißverfahren nicht erreichbar sind. Gegenstand der Erfindung ist ferner die Kanone mittels eines numerischen Steuersystems so einzurichten, daß sie schnell von einem Rohr zum anderen verfahren werden kann. Ferner sieht die Erfindung vor, mit elektronischen Mitteln den Betrag der Abweichung der Kanone von dem geometrischen Mittelpunkt des zu schweißenden Rohres zu bestimmen und eine Korrektur durch Ablenken des Elektronenstrahls vorzunehmen, derart, daß die neue Position des Strahls sich im geometrischen Mittelpunkt des Rohres befindet. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Steuerung des Elektronenstrahls, derart, daß er sich auf einer Kreisbahn an der Naht zwischen dem Kopf und dem Rohr mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit bewegt, so daß eine unterschiedlich beaufschlagte Fläche zwischen dem Kopf und dem Rohr von dem Rand des Rohres bis zu einer bestimmten Strecke in die Oberfläche des

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Kopfes vorhanden- ist. Dabei soll der Durchmesser des kreisförmigen Weges, den der Elektronenstrahl auf dem Werkstück zurücklegt, gesteuert werden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das auf der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen?

Figur 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung eines Wärmeaustauschers üblicher Form und die verschiedenen Teile einer installierten Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung,

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines Teils einer

Elektroneutral lkanone und der dazugehörigen Vorrichtung zum Bewegen der Kanone entlang zweier aufeinander senkrecht stehender Ebenen,

Figur 3 eine Seitenansicht der auf Figur 2 dargestellten Vorrichtung mit den Rohren und dem Kopf des Wärmeaustauschers , sowie Teilen der Abdichtungsvorrichtung im Querschnitt,

Figur 4 ein typisches Abtastbild, das bei der praktischen Durchführung der Erfindung benutzt werden kann,

Figur 5 eine Photographie der in einen Kopf eingeschweißten Enden von Rohren durch eine Abdichtungsplatte gesehen,

Figur 6 ein Blockschaltbild des elektronischen Systems zum Einrichten des Mittelpunktes der Öffnung des Rohres,

Fißur 7 rsraxjhische Darstellungen verschiedener Abtastöteuersignale,

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Figur 8 graphische Darstellungen der Signale, die an den verschiedenen Punkten des Abtastsignal-Generators auftreten,

Figur 9 die Eingangs- und Ausgangssignale an den Abtasten und Haltesteuerungen,

Figur 10 eine graphische Darstellung der Signale, die an bestimmten Abschnitten des Detektorsystems der Abdichtungsplatten auftreten und

Figur 11 eine schematische Darstellung des Kreises zum Verarbeiten von Informationen, die von dem Abtastsystem empfangen werden und zur Umwandlung in Ströme für die Ablenkspulen.

Figur 1 zeigt den Wärmeaustauscher 1, der auf Rollen 2 abgestützt ist, um ihn in eine solche Lage bringen zu können, daß die Löcher in der Bohrscheibe 3 genau auf das tragbare Elektronenstrahlschweißgerät 4- ausgerichtet sind. Das Schweißgerät hängt an dem Kran 5» der es von einer Stellung in bezug auf die Rohrscheibe zur anderen verschieben kann. Das Schweißgerät besteht aus einer Elektronenkanone 6, die den Elektronenstrahl erzeugt, der zum Anschweißen der Enden der einzelnen Rohre 10 an die Rohrscheibe 3 benutzt wird. Eine Diffusionspumpe 7 zur Erzeugung eines Unterdruckes von höchstens 10~ Torr in der Elektronenstrahlkanone ist an dem tragbaren Gerät angebracht, ebenso zwei Elektromotoren 8 und 9, die benutzt werden, um die Elektronenstrahlkanone auf ihrer Befestigung längs zweier Achsen, die senkrecht aufeinanderstellen, in bezug auf eine Abdichtungsplatte 20, die in Figur 3 dargestellt ist, zu bewegen. Die Platte.3 dichtet die Elektronenstrahlkanone längs eines bestimmten Bereiches auf der Rohrscheibe ab, der eine Anzahl von öffnun-

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gen enthält, in die Rohre 10 eingesetzt sind, die später von dem Elektronenstrahl geschweißt werden sollen. Mehr als 350 Sohre können mittels der Äbdichtungsplatte abgedichtet werden.

Die Elektronenstrahlschweißmaschine ist in vergrößertem Maßstab auf den Figuren 2 und 3 dargestellt. Wie sich aus Figur 2 ergibt, ist die Elektronenkanone 6 auf eine Platte 11 montiert, die mit Gelenken 18 an dem senkrechten Gleitstück 12 befestigt ist. Das Gleitstück 12 kann zusammen mit der Elektronenkanone in senkrechter Richtung mittels des Elektromotors 8 und einer Spindel 13 bewegt werden, die die Spindelmutter antreibt, die an der Gleitplatte 12 befestigt ist. Die Gleitplatte 12 ist von einer sich horizontal erstreckenden Gleitplatte 14· mittels einer biegsamen durchlaufenden Dichtung längs des Umfanges eines senkrechten Schlitzes getrennt, der in die Gleitplatte 14 eingearbeitet ist. Infolge des senkrechten Schlitzes kann der in der Kanone 6 erzeugt· Elektronenstrahl von der Kanone durch eine öffnung in den Platten 11 und 12 durch den Schlitz in der Gleitplatte 14 in die Vakuumkammer > 19 treten, die in dem Raum innerhalb der Abdichtungsplatte 20 und der Kammer 21, die auf Figur 3 dargestellt ist, angebracht ist. Die Platte 20 ist an der Rohrscheibe in einem festgelegten Bereich befestigt, der eine Anzahl von Rohren einschließt, die an die Rohr scheibe angeschweißt werden sollen. Dieser umgrenzte Raum wird mittels einer Dichtung 16 längs des umfanges der Dichtungsplatte 20 abgedichtet. Die Kammer 21 ist an der Dichtungsplatte mit geeigneten biegsamen durchlaufenden Dichtungen zwischen zwei aneinanderstoßenden Oberflächen angebracht. Die waagerecht verlaufende Gleitplatte 14 kann mittels eines Elektromotors 9, einer Spindel 15 und einer Spindelmutter 22 bewegt werden, die an der Gleitplatte 14 so angebracht ist, daß, wenn die Spindel 15 sich dreht, die Gleitplatte

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längs der horizontalen Achse bewegt wird. Die Bewegung der Gleitplatte 14 ist so, daß der senkrechte Schlitz in dieser Platte von einer Seite der Öffnung in der Kammer 21 zur anderen Seite verschoben wird. Durch die zwei Motoren 8 und 9 und ihre entsprechenden Spindelantriebe kann die· Elektronenkanone so eingerichtet werden, daß der Elektronenstrahl jeden gewünschten Punkt auf der Oberfläche erreicht, der von der Dichtungsplatte 20 umschlossen wird« Mittels eines geeigneten programmierten numerisehen Steuersystems kann die Elektronenkanone stufenweise in jeder gewünschten Folge für die 300 bis 400 Rohrenden 10, die von der Dichtungsplatte 20 umschlossen werden, von einem Rohr zu dem anderen verfahren werden. Eine zweite Vakuumkammer wird an der entgegengesetzten Rohrscheibe dicht angebracht, die entsprechend der Länge des Wärmeaustauschers 6 bis 18 m entfernt liegen kann. Die entsprechende Anordnung ist mit 17 bezeichnet.

Die Schweißmaschine wird dazu benutzt, die Elektronenkanone so dicht wie möglich über den Mittelpunkt jedes Rohrendes zu bringen, das geschweißt werden soll. Die Genauigkeit dieser Einstellung ist nie so gut, um sicherzustellen, daß der Elektronenstrahl auf die kreisförmige Naht zwischen dem Rohr und der Rohrscheibe an allen Punkten längs des Weges auf trifft. Es ist daher notwendig, weitere Einrichtungen vorzusehen, um das geometrische Zentrum jedes Rohres, bevor die Schweißung erfolgt, genau zu bestimmen, um sicherzustellen, daß der Elektronenstrahl während seiner kreisförmigen Bewegung auf die Naht zwischen Rohr und Rohrscheibe auf trifft. Zu diesem Zweck wird ein elektronisches System benutzt, das dazu dient, den Mittelpunkt der Öffnung des Rohres zu bestimmen; diese Anordnung ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Figur 6 ist ein Schaltbild, das dar, Verfahren zeigt, mit

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dem die öffnung am Ende des Rohres lokalisiert wird und das auch die Beziehung zwischen verschiedenen Sicherheitsvorrichtungen und Anzeigegeräten und zu dem Grundsystem zur Lokalisierung zeigt, Um den Mittelpunkt eines Bohres zu bestimmen, tastet der von der Kanone erzeugte Elektronenstrahl das Ende des Rohres und einen Abschnitt der Rohrscheibe, in die es eingelassen ist, in einer ganz "bestimmten Weise ab. Der Abtastbereich ist auf Figur 4-dargestellt. Die Elektronenkanone ist mit Ablenkungseinrichtungen versehen, die einen Strahl längs zweier senkrecht aufeinanderstehender Achsen ablenken können. Die Ruhelage oder nicht abgelenkte Lage des Strahls, bei der er auf eine Ebene auftreffen würde, die senkrecht zur Achse des Rohres verläuft und die an dem Ende des Rohres liegt, ist mit a auf Figur 4- bezeichnet. Mittels geeigneter Ströme, die den Spulen zur Ablenkung der X- und Y-Achse zugeführt werden, wird erreicht, daß der Strahl den Bereich rund um das Ende des Rohres abtastet, indem er von dem Punkt a weg um eine bestimmte Entfernung nach außen -und rechts längs der X-Achse bewegt wird und nach a zurückkehrt, wie es durch die Buchstaben b und c angedeutet ist und dann längs der Y-Achse nach außen schwingt und nach a zurückkehrt, wie es durch die ..Buchstaben d und e

längs angedeutet ist, worauf ein Ausschlag/f, g und h, i erfolgt. Wenn der Elektronenstrahl vom Punkt a nach außen bewegt wird, trifft er am Punkt k auf die innere Kante des Rohres; in diesem Augenblick werden Elektronen reflektiert, die durch den Strahl erzeugt werden, der auf die Kante des Rohres auftrifft. Diese werden mittels einer Antenne, wie es in der US-Anmeldung Ser. No. 784 57^ erläutert ist, aufgefangen und während einer kurzen Zeit werden Impulssignale erzeugt. Ein zweiter Impuls wird erzeugt, wenn der Strahl, der längs der Y-Achse bewect wird, auf die innere Kante des Rohres auftrifft; ein dritter Impuls, wenn der Strahl auf die Kante des Rohres

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auftrifft, wenn er sich nach außen und auf der Zeichnung nach links bewegt (Weg f) und ein vierter Impuls, wenn der Strahl auf die Kante des Rohres auftrifft, wenn er in Richtung der negativen Y-Achse bewegt wird (Weg h). Die Entfernungen des Punktes a von den vier Punkten, an denen der Strahl während des Ausschwenkens zuerst auf die Innenseite der Kante des Rohres auftrifft, werden abgetastet und ergeben für jeden der vier Punkte ein positives oder negatives Signal. Die positiven und negativen Signale für

^⁰ jede Achse werden summiert und integriert und die sich ergebenden Signale an den entsprechenden X- oder X-Ablenkungskreis angelegt, um den Ablenkungskreis zu steuern und die Ruhelage des Strahls in den Mittelpunkt des Kreises zu bewegen· Wenn die Ruhelage des Strahls nach und

^5 nach zum Mittelpunkt des Kreises gebracht ist, wird die Ausschwenkbewegung des Strahls fortgesetzt. Wenn die Differenz zwischen den positiven und negativen Signalen längs der einzelnen Achsen O ist, befindet sich der Strahl im geometrischen Mittelpunkt der Öffnung des Rohres. Die Signale zum Steuern der Ablenkspule werden auf diesem Niveau in einem Speicherkreis gehalten und der Elektronenstrahl dann gedreht, so daß er die Naht zwischen dem Rohr und der Rohrscheibe bei einer ausreichend hohen Leistungsdichte überquert, um eine Schweißung längs des kreisförmigen Weges zu erzeugen.

Die vorstehenden Ausführungen stellen eine Zusammenfassung der Arbeitsweise des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung dar} eine vollständigere Beschreibung wird im folgenden gegeben.

Abtaststeuersystem

Die Abtast- und Quadrantensignale, die erforderlich sind, damit der Strahl dem oben beschriebenen Weg folgt, kommen

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von einem Oszillator 23 > der Sägezahn- und Eechteckwellen-Äusgangssignale erzeugt. Bas Sägezahn-Signal 7a wird an eine Abtaststeuerung 24- (Figur 6) und an einen Abtastsignalgenerator 26 angelegt. Durch Verknüpfungsglieder, wie 2TOE- und Flip-Flop-Kreise in der Abtaststeuerung 24-, wird der Sägesignal-Ausgang des Oszillators so eingestellt, daß er vier verschiedene Eechteekwellengitter-Signale erzeugt, und zwar eines für jede der entsprechenden Perioden, die der Strahl nacheinander in den X⁺" ϊ Χ und X" -Eichtungen "bestreichen soll.

Figur 7 ist eine graphische Darstellung der Signale, die in den verschiedenen Abschnitten der Abtaststeuerung 24-auftreten. Figur 7a stellt das Sägezahnwellen-Ausgangssignal«des Oszillators dar, das an einen Funktionsverstärker angelegt wird. Dieser Verstärker ist als Inverter mit einer Zener-Eückkopplung geschaltet, die eine negative Klemme darstellt. Das Eingangssignal bringt den Verstärker zur Sättigung, so daß ein Eechteckwellen-Ausgang auftritt. Der Zener hält den Ausgang bei etwa + 10 Volt.

Das Ausgangssignal schwingt von diesem Wert auf 0 Volt. Wenn das Signal umgekehrt wird (Figur 7t>) hat das Eechteckwellen-Ausgangssignal die entgegengesetzte Polarität wie das Eingangssignal 7a· Das Eechteckwellen-Ausgangssignal des Funktionsverstärkers wird an ein NOE-Verknüpfungsglied (A1 - B) angelegt, das das Signal umkehrt, so daß eine Eechteckwelle erhalten wird, wie sie in Figur 7c dargestellt ist. Das Ausgangssignal eines zweiten NOE-Verknüpfungsgliedes (A1 - H), das in Figur 7d dargestellt ist, wird von dem Ausgang des NOE-Kreises (A1 - B) umgekehrt. Das auf Figur 7d dargestellte Signal wird an ein Flip-Flop-Verknüpfungsglied angelegt, das seinen Zustand jedesmal ändert, wenn der Eingang von 1 auf 0 wechselt, so daß das Signal an seinem Ausgang dem in Figur 7e dargestellten Signal entspricht. Figur 7f zeigt

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das Ausgangssignal eines zweiten Flip-Flop-Kreises.

Die Abtastimpulse für alle vier Quadranten werden wie folgt erzengtί

Die Signale 7d und 7f werden an ein NOR-Verkmipfungsglied (A2 - U) angelegt, so daß sich das in Figur 7g dargestellte Ausgangssignal ergibt. Die Signale 7c und 7f werden an den Eingang eines anderen NOR-Verknüpfungsgliedes (A2 - H) angelegt, so daß ein Ausgangssignal gemäß Figur 7h auftritt. Die Signale 7d und 7e werden an ein NOR-Verknüpfungsglied (A2 - N) angelegt und ergeben ein Ausgangssignal gemäß Figur 7i> die Signale 7c und 7e werden an das NOR-Verknüpfungsglied (A2 - B) angelegt mit dem Ergebnis, daß am Ausgang das Signal 7d erscheint. Die vier Ausgänge bilden vier getrennte Abtastsignale, die aufeinanderfolgen und in Verbindung mit dem Sägezahn-Ausgang des Oszillators benutzt werden, um das Abtastsignal zu erzeugen, durch das der Strahl den Bereich am Ende eines jeden Rohres in der beschriebenen und auf Figur 4- dargestellten Weise abtastet.

AbtastSignalgenerator

Der Abtastsignalgenerator 26, der auf Figur 6 dargestellt ist, besteht aus Umkehrverstärkern und Schalteinheiten, die, wie weiter unten beschrieben wird, so arbeiten, daß die Signale, die die Ablenkung des Strahls längs der X- und Y-Achse steuern, erzeugt werden und der Strahl dem gewünschten Abtastbereich folgt.

Figur 8 zeigt die Zeitbeziehung der Signale, die an verschiedenen Punkten in dem Abtastsignalgenerator erscheinen. Figur 8a zeigt den Sägezahn-Ausgang des Oszillators, der an den Umkehrverstärker angelegt wird, an dessen Ausgang das umgekehrte Sägezahn-Signal erscheint, das auf

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Figur 8b dargestellt ist. Vier Schalter werden "benutzt, um vier aufeinanderfolgende halbe Schwingungsperioden des Sägezahn-Ausgangs des Oszillators zu trennen. Die Schalter arbeiten in Verbindung mit ihren entsprechenden Rechteckwellensteuer-Signalen, die in dem Abtaststeuerkreis für jede Richtung oder Abtastung erzeugt werden. Ein O-Signal hält die Schalter offen, ein 1-Signal schließt den Schalter und erlaubt es, daß die fortlaufende Sägezahn-Welle durchgeht. Das Signal des Quadranten a soll als Sig-

^⁰ nal der ^-Richtung, das des Quadranten b der Y⁺-Richtung, das des Quadranten c der X~-Richtung und das des Quadranten d der !""-Richtung bezeichnet werden. Das Sägezahn-Signal 8b wird durch einen Schalter freigegeben, der durch das Reenteckwellen-AusgangsSignal des NOR-Verknüpfungs-

^ 5 gliedes A2 - U gesteuert wird, wie es in Figur 7g dargestellt ist, mit dem Ergebnis, daß am Ausgang des Schalters ein Signal, wie in Figur 8c dargestellt, erscheint* Das Sägezahn-Signal 8a wird an einen anderen Schalter angelegt, der durch das Abtaststeuersignal 7i niit dem Ergebnis gesteuert wird, daß das X~ oder c-Quadrantenabtastsignal, das in Figur 8e dargestellt ist, durchgelassen wird. Die Signale 8c und 8e werden dann an einen anderen Umkehrverstärker angelegt, der beide Signale verbindet und umkehrt, um das Ausgangssignal zu erzeugen, das in Figur 8g dargestellt ist, wobei es sich um das Signal handelt, das zur Steuerung der Ablenkspule für die X-Achse dient. Die Signale 8d und 8f werden dann dadurch erzeugt, daß die Sägezahn-Signale 8a und 8b durch zwei weit.ere Schalter unter Steuerung der Rechteckwellenschalt-Signale freigegeben werden, die in den Figuren 7h bzw. 7f dargestellt sind. Die Signale 8d und 8f werden an einen Umkehrverstärker angelegt, dessen Ausgangssignal die Form hat, die sich aus der graphischen Darstellung der Figur 8h ergibt} dabei handelt es sich um das Abtastsignal für die Ablenkspule für die Y-Achse. Die Signale 8g und 8h

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werden an die Ablenkspulen für die X- und Y-Achse angelegt und erzeugen das auf Figur 4· dargestellte Abtastbild.

Wenn der Elektronenstrahl während seiner Abtastbewegung auf das Werkstück auftrifft, werden einige der Elektronen reflektiert und mit Hilfe einer Antenne aufgefangen und einem impulsformenden Kreis zugeführt, der einen schmälen Impuls erzeugt, der ein Signal hervorruft, das die Entfernung vom Ausgangspunkt des Strahls für diese besondere Auslenkung zur Kante des Werkstückes in jedem Quadranten anzeigt.

Halte- und Schaltintegrator

Der Abtast-Haltekreis hat vier Ausgangssignale, die die Radien der Abtastung von der Ruhestellung des Strahls zur Kante des Werkstücks in jedem Quadranten anzeigen. Jeder Radius besteht aus einem Gleichstrompegel entsprechend der Amplitude des Sägezahn-Signals des Quadranten, in dem Augenblick, in dem der Strahl auf die Kante des Werkstückes auftrifft. Der Abtast-Haltekreis 25 besteht aus mehreren NOR-Verknüpfungsgliedern und einer Abtast-Halte-Einheit für jeden Quadranten. Diese Einheiten erzeugen ein Ausgangssignal für jeden Quadranten. Jede Einheit hat zwei Betriebsarten,Abtastung und Halten und zwei Eingänge, Steuerung und Signal. Ein 1-Signal von einem NOR-Verknüpfungsglied an dem Steuereingang überträgt die Einheit in die Abtastfunktion. In dieser folgt das Ausgangssignal dem Eingangssignal. Wenn der Steuereingang auf 0 zurückgeht, wird der Ausgang an einen Gleichstrompegel angeschlossen, der der Amplitude des Signals an der Signaleingangsklemme entspricht. Jede Abtastung der Abtasthalteeinheit wird der Reihe nach aktiviert während der entsprechenden Abtastperiode des entsprechenden Quadranten. Für einen einzelnen Quadranten ist der Ausgang der Abtasthalteeinheit die Spannung der letzten Abtastung.

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Wenn der Abtaststrahl die Kante trifft, wird ein Steuerimpuls erzeugt und die Vorderflanke des Steuerimpulses, die schnell den Wert 1 erreicht, wird an die Steuerklemme der Abtasthalteeinheit angeschlossen, so daß diese in die Abtastfunktion übergeht. Der Ausgang folgt dem abgetasteten Signal und, wenn die Rechteckwelle von 1 nach O übergeht, wird die Abtast-Halte-Einheit sofort in den Haltezustand überführt, so daß die Amplitude des Ausschlags, in dem Augenblick, in dem der Abtaststrahl die Kante der Naht trifft, in dem Abtast-Halte-Speicher zurückgehalten wird. Dies wiederholt sich in allen vier Abtast-Halte-Einheiten, da jeder Quadrant abgetastet wird. Die Sägezahn-Ausgangs signale des Abtastsignalgenerators erzeugen die Signaleingänge während der Zeit, während der die Signale in jedem der einzelnen Quadranten wirksam sind. Jeder X- und Y-Sägezahn-Ausgang des AbtastSignalgenerators hat eine O bis +10 Volt-und eine 0 bis -10 Volt-Komponente. Für jeden Ausgang einer Achse wird nur eine Einheit eingeschaltet, wenn das Sägezahnsignal positiv ist und die andere, wenn das Signal negativ ist. Jede Einheit ruft somit ein Ausgangssignal zwischen 0 und 10 Volt mit einer Polarität hervor, die die gleiche ist wie die des Eingang-Sägezahn-Signals während der Zeit, während die Einheit eingeschaltet ist. Die genaue Stärke des Ausgangssignals hängt von dem Durchmesser der öffnung und der Entfernung von der Ruhestellung des Strahls von der Kante der Naht für den Quadranten, der abgetastet wird, ab. Die Polarität des Signals während der Abtastung der Quadranten a und b ist positiv und während der Abtastung der Quadranten c und d negativ. Von den vier Abtast-Halte-Einheiten haben zwei Einheiten Ausgangssignale längs der X-Achse, und zwar ein positives und ein negatives und zwei Y-Achsen-Ausgangssignale, ebenfalls ein positives und ein negatives. Die positiven und negativen Ausgangssignale der X- und Y-Einheiten werden nach Verstärkung in einem Schaltinte-

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gratorkreis 28 summiert. Die Schaltintegratorkreise haben zwei Steuerklemmen P und Q, die auf vier Ausgangssignale der Abtast-Halte-Einheiten einwirken, um die getrennten X- und Y-Achsensignale zu erzeugen, die zu den Ablenkkreisen der Elektronenstrahlkanone übertragen werden, um die Ströme durch die getrennten Ablenkungsspulen zu steuern und um so automatisch den Strahl zum Mittelpunkt des Rohres, das geschweißt werden soll, zu bringen. Der X⁺ und X~-Ausgang der Abtast-Halte-Einheit des X-Achsensystems wird an den Schalt integrator angelegt und, wenn die P und Q-Klemmen beide positiv sind, in bezug auf das Erdpotential, wird die algebraische Summe der beiden X-Spannungen integriert. Die algebraische Summe der Haltespannungen der Y⁺ und X~-Ach.se kann auch in einem getrennten Integrator integriert werden. Wenn eine positive Spannung an P angelegt wird und eine negative Spannung an die Q-Elemme, wird der Ausgang der Integration in einem Speichersystem für beide Achsen gehalten. Wenn eine negative Spannung an P angelegt wird und entweder eine positive oder eine negative an Q,wird der Integrator auf 0 zurückgeführt.

Figur 9 zeigt die Eingangs- und die Ausgangssignale der Abtast-Halte-Einheitj Figur 9a das Ausgangssignal des Oszillators, der mit etwa 160 Hertz schwingt. Figur 9b zeigt die Impulse, die gebildet werden, wenn der Strahl auf die Kante des Rohres in jedem Quadranten auftrifft. Die Figuren 9d, 9e> 9f sowie 9g zeigen die einzelnen Impulse für jeden der Quadranten und die Figuren 9h, 9i» 9j und 9k die vier Spannungen, die am Ausgang der Abtast-Halte-Einheiten während verschiedener Abtastfolgen vorliegen. Während der Abtastung ändern sich diese Spannungen insofern, als der Strahl zur Mitte des Rohres bewegt wird, wenn die Abtastung fortschreitet.

Wenn die Spannung, die am Ausgang von SH^ gehalten wird, die die X⁺-Richtung darstellt, positiver wird, dann wird

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die Spannung am Ausgang SH, , die die X~"-Richtung darstellt, negativer bis die Summe der X⁺ und X~-Spannungen O erreicht. Wenn dies sowohl für die X- als auch für die X-Achse der Fall ist, "befindet sich der Strahl in der Ruhestellung im. geometrischen Mittelpunkt des Kreises.

Ermittlung des Radius der öffnungen

Die vier Ausgangsspannungen der Abtast-Halte-Einheiten werden auch an einen Ermittler 29 für den Radius der Öffnungen geliefert, der den absoluten Wert dieser Spannungen summiert und die Summe durch Vier teilt, so daß man den Radius des Rohrendes, das abgetastet wird, erhält. Dieses Signal wird an den Ablenkungskreis für den Strahl geliefert, um den Radius des Kreises zu steuern, der von dem Strahl während des Schweißens bestrichen werden soll.

Mit dem beschriebenen Verfahren ist es möglich, den Mittelpunkt einer Öffnung oder Bohrung durch Verwendung eines Elektronenstrahls und damit verbundener elektrischer Kreise und Vorrichtungen zu bestimmen.

Das Gesamtsteuersystem zur Bestimmung des Mittelpunkts einer Bohrung enthält eine stufenweise Intervallsteuerung, die Intervalle steuert, die als Vorabtastung, Abtastung und Nachabtastung bezeichnet werden und Signale liefert, um mit jedem Intervall verbundene Arbeitsgänge beginnen zu lassen, sowie verschiedene Hilfsfunktionen, die als Sicherheitssysteme dienen, um die Schweißung unter bestimmten Bedingungen zu unterbrechen. Das Vorabtastungssystem sieht ein Signal zum Starten der Abtaststufe und ein Rückstell-Entriegelungssignal zu den Integrierschaltern für die X- und Y-Achsen vor. Die Zeitverzögerung dieses Kreises erlaubt es dem Heizdraht der Elektronenkanone seine Arbeitstemperatur zu erreichen. Der.Kreis besteht aus mehreren NOR-Verknüpfungsgliedern und damit

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verbundenen Elementen.

Zu Beginn der Vorabtastung liefert der Ausgang eines der NOR-Verknüpfungsglieder einen momentanen O-Wert an die Klemme P des Schaltintegrators 28. Ein zweiter Ausgang von einem anderen NOR-Glied schaltet am Ende des VorabtastIntervalls annähernd eine halbe Sekunde auf einen 1-Wert und liefert ein Startsignal an den Abtastintervallkreis, der seinerseits ein Startsignal an die Q-Klemme der Schaltintegratoren für die X- und Y-Achsen und ein Entriegelungssignal an den Signaldetektor 37 liefert.

Die Verzögerung, die durch den Abtastkreis hervorgerufen wird, sorgt dafür, daß die damit verbundenen Kreise die Ruheposition des Strahls im Mittelpunkt der öffnung einstellen. Am Ende des Abtastintervalls startet eins seiner Ausgangssignale die Nachabtastungsstufe und blockiert den Schaltintegrierkreis. Der Nachabtastkreis liefert ein Freigabesignal an die Steuerung 32 für die Abdichtungsplatten und ein Signal, das das Ende der Zentrierung anzeigt^ an die angeschlossenen Kreise der Schweißeinrichtung. Die Verzögerung, die durch diesen Kreis hervorgerufen wird, gibt dem Detektor 33 für die Abdichtungsplatten - eine der Hilfsfunktionen, die in der Steuerung vorgesehen sind - die Möglichkeit, seine Funktion auszuüben. Andere Hilfsfunktionen sind ein „Kein-Loch"-Detektor 34 und die in Richtung der X- und Y-Achse Verschiebung sbegrenzung 35. Der nKein-Loch"-Detektor ist vorgesehen, um sicherzustellen, daß sich ein Loch in der richtigen Lage befindet, so daß man in jedem Quadranten einen Impuls an der Kante des Werkstückes erhält. Wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind, ist ein Sperrsignal an den Schweißkreis vorgesehen, der das Anschweißen des Rohres an die Rohrscheibe steuert. Der Kreis für die Begrenzung der Richtungsverschiebung speichert die Lage des Loches in bezug auf ein Signal, das die normale Stel-

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lung des Strahls ohne Steuerung der Ablenkspulen anzeigt. Wenn diese Lage sich innerhalb vorgegebener Entfernungen vom Mittelpunkt auf beiden Achsen befindet, wird ein Freigabe-Signal an den Schweißkreis gegeben. Venn diese Lage außerhalb der vorgegebenen Entfernung auf einer der Achsen ist, wird ein Sperrsignal ausgelöst. Die Steuerung für die Dichtungsplatte liefert ein Signal , durch das der Detektor der Dichtungsplatte jedesmal, wenn der Strahl die vorauseilende Kante des Werkstückes in der Nachabtaststufe überquert, für eine kurzzeitige Abtastung entriegelt wird. Sollte die Dichtungsplatte zu dicht an der Kante eines Loches sein, wird ein Signal, wie es in Figur 1Oe dargestellt ist, erzeugt, das anzeigt, daß das Loch in bezug auf die Dichtungsplatte außerhalb der Arbeitslage ist. In diesem Fall erzeugt dieses Signal ein Sperrsignal, das an die Schweißkreise geliefert wird. Wenn das Loch genau in der richtigen Stellung in bezug auf die Dichtungsplatte ist, trifft der Strahl nicht auf die Dichtungsplatte und ein Freigabesignal wird an den Schweißkreis geliefert, das die Schweißung freigibt, wenn geeignete Freigabesignale von den Kreisen für die Begrenzung in Richtung der X- und X-Achsen und dem _nLoch/Kein-Loch"-Detektor vorliegen.

Figur 10 zeigt die Signale, die in dem Detektorsystem für die Abdichtungsplatten in dem Fall vorhanden sind, daß die Öffnung eine genaue Lage in bezug auf die Dichtungsplatte hat und in einem zweiten Fall, wenn die Öffnung zu nah an der Dichtungsplatte ist. Figur 10a zeigt das Sägezahn-Signal, das die Ablenkung des Strahls hervorruft, Figur 10b ist eine Rechteckwelle, die von der Zeit erzeugt wird, an der der Strahl die Kante des Werkstückes überquert, bis zu der Zeit, bei der der Strahl die weiteste Entfernung vom Mittelpunkt erreicht. Wenn die Dichtungsplatte nicht berührt wird, nimmt der Elektronenstrom

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zur Antenne die Form an, die in Figur '10c dargestellt ist. Sollte die Dichtungsplatte zu nah an der Kante der öffnung liegen, hat der reflektierte Elektronenstrom die in Figur 1Od dargestellte Form. Der Strom erreicht einen maximalen Wert während der Periode der Rechteckwelle, die am Ausgang der Steuerung 32 für die Dichtungsplatten erzielt wird und fällt dann auf einen niedrigeren Wert ab, bevor der Strahl das Ende seines Ausschlags erreicht. Der reflektierte Elektronenstrom wird differenziert und, wenn ein Abfall in dem Signal eintritt, wie es in Figur 10d dargestellt ist, wird eine positive Ausgangsspannung erreicht, die hervorruft, daß der Schweißkreis unterbrochen wird.

Figur 11 ist eine schematische Darstellung, die zeigt,

wie die Abtastungssignale für die X- und X-Achse, die dafür sorgen, daß der Strahl dem gewünschten kreisförmigen Weg folgt, das Radiussignal, die Signale für die Verschiebung der X- und X-Achse und ein Signal, das proportional der Quadratwurzel der Beschleunigungsspannung der Elektronenkanone ist, kombiniert werden, um die Ströme für die Ablenkspule der X- und X-Achse zu erzeugen. Das Verschiebungssignal für die X-Achse wird vervielfacht mittels einer Analogspannung, die proportional der Quadratwurzel der Beschleunigungsspannung der Elektronenstrahlkanone ist. Dies erfolgt in einem elektronischen Vervielfacher, dessen Ausgang an eine der beiden Eingangsklemmen eines Verstärkers angelegt wird, dessen Ausgang mit dem Ablenkungsverstärker verbunden ist, der die Ablenkspule für die X-Achse speist. Die zweite Eingangsklemme dieses Verstärkers empfängt das Abtastsignal für die X-Achse, so daß der Ausgang dieses Verstärkers die kombinierten Signale zum Antrieb der Verstärker für die Ablenkung in Richtung der X-Achse und die Ablenkspule darstellt.

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Das Signal zur Verschiebung in der Y-Achse und das Abtastsignal werden in entsprechender Weise "behandelt und die Ströme durch die Ablenkspulen für die X- und X-Achse verursachen, daß der Strahl einem kreisförmigen Weg mit dem gewünschten Radius mit geeigneter Korrektur der Ströme bei Veränderung der Beschleunigungsspannung folgt.

Das System ist geeignet zum Auffinden des Mittelpunktes von anderen symetrischen Gebilden als Kreise, beispielsweise zum Auffinden des geometrischen Mittelpunkts eines Quadrates, von Ellipsen, Sechsecken oder anderen Formen.

Das Yerfahren kann auch dazu benutzt werden» den Mittelpunkt von Rohren zu finden, in die Stopfen eingesetzt werden sollen, um Material innerhalb der Rohre dicht zu verschließen. Als Beispiel sei erwähnt der Verschluß von Rohren für Brennstoffelemente für Kernreaktoren. Die Stopfen müssen auf die Rohrenden längs einer Naht geschweißt werden, die sich zwischen dem Rohr und dem Stopfen an den Rohrenden befindet.

Beim Einschweißen von Stopfen in Rohre wird der Elektronenstrahl auf die Naht in axialer Richtung gerichtet und dafür gesorgt, daß er der Naht folgt, wie es oben beschrieben wurde, um so eine kontinuierliche endlose Schweißung längs der Verbindungsstelle zwischen Rohr und Stopfen herzustellen.

Die Enden von Stopfen und Rohr können in der gleichen Weise abgetastet werden wie die Fläche der öffnung in und um die Rohre in dem Rohr und der Rohrscheibe eines Wärmeaustauschers, wie es oben beschrieben wurde.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

\1. Verfahren zum Auffinden des Mittelpunktes einer in einem Körper gebildeten Öffnung "beim Schweißen mit Korpuskularstrahlen, insbesondere mit Elektronenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß ein 5- Korpuskularstrahl erzeugt und fokussiert und an einer Stelle auf den Körper gerichtet wird, die innerhalb des Bereiches liegt, in dem sich die Öffnung befindet, daß der Raum, der die öffnung bildet, mit dem Korpuskularstrahl längs einer Anzahl von Wegen abgetastet wird, die radial nach außen gerichtet sind und von der nicht abgelenkten Ruhestellung des Strahls in der Ebene hin und zurück verlaufen, die durch die Trennlinie zwischen der Öffnung und der Oberfläche des Körpers geht, daß die Spannung, die der Entfernung zwischen der Ruheposition zur Kante des Loches entspricht, längs aller Wege abgetastet wird, und daß diese Analogspannung zur Steuerung der Ablenkung des Strahls benutzt wird und diesen in eine Ruheposition verschiebt, die im Mittelpunkt der öffnung in der erwähnten Ebene liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich nacheinander längs vier radial verlaufender Wege abgetastet wird, die gleichmäßig in einem Winkel von 90° voneinander entfernt sind.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkung des Strahls längs zweier Achsen erfolgt, die genau senkrecht aufeinanderstellen und in rechten Winkeln zu dem Weg verlaufen, der von dem nicht abgelenkten Korpuskularstrahl zurückgelegt wird, nachdem er fokussiert worden ist.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen, die der Entfernung von der Ruhestellung zur Kante der Öffnung entsprechen,

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für alle radialen Wege addiert und die Summe durch die Anzahl der Wege dividiert wird, die abgetastet werden, um einen Mittelwert des Radius der öffnung zu erhalten, daß zu der Summe die Spannung addiert wird, die der Entfernung vom Umfang der öffnung entspricht, an dem die Schweißung erfolgen soll, und daß die Summe der erwähnten Spannungen an Einrichtungen zum Steuern des Radius des Kreises angelegt wird, auf den der Strahl auftreffen soll und -dessen Umfang der Elektronenstrahl überqueren soll.
5· Verfahren nach den Ansprüchen 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung in einem Rohr ist, das in eine Rohrscheibe eingesetzt ist.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 "bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl, nachdem er zentriert worden ist, längs der Naht zwischen dem Rohr und der Rohrscheibe mit einer festgelegten Geschwindigkeit bewegt wird, und daß das Rohr an die Rohr scheibe längs dieser Naht angeschweißt wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Korpuskularstrahl ein Elektronenstrahl ist.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7» gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Erzeugen, Fokussieren und Ablenken eines Elektronen-Strahls, Einrichtungen zum Richten des Strahls auf eine in einem Körper gebildete öffnung, Einrichtungen, mit denen der Strahl den Bereich, der die Öffnung bildet und den diese umgebenden Bereich längs einer Anzahl von Wegen abtastet, die radial von einer Ruhestellung des Strahls in der erwähnten Ebene ausgehen und zu dieser Ruhestellung zurückführen, Anzeigeeinrichtungen für die

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Spannungen, die der Entfernung zwischen der Ruhestellung und der Kante der Öffnung längs der einzelnen Wege entsprechen und Einrichtungens mit denen diese Spannungen die Ablenkung des Strahls steuern, derart, daß dieser in eine Ruhestellung verschoben wird, die im Mittelpunkt der Öffnung in der Ebene liegt.
9· Vorrichtung nach Anspruch 8₅ gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Bestimmen des Radius der Öffnung und Einrichtungen, die hervorrufen, daß der Elektronenstrahl eine Kreisbahn durchläuft, deren Radius dem erwähnten Radius zusätzlich einer vorbestimmten Länge entspricht.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 9> gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Elektronenstrahlschweißen längs der Naht zwischen dem Rohr und der Öffnung in der Rohrscheibe mit zusätzlichen Vorrichtungen zum Unterbrechen der Schweißung in dem Augenblick, in dem keine Öffnung angezeigt wird.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen eine Elektronenstrahlschweißung längs der Naht zwischen dem Rohr und der Öffnung vorgenommen wird mit zusätzlichen Einrichtungen zum Unterbrechen der Schweißung in dem Augenblick, in dem der Mittelpunkt der Öffnung außerhalb eines vorgesehenen Grenzbereiches ist.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 11, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Schweißen mit Elektronenstrahlen längs der Naht zwisehen dem Rohr und der öffnung mit zusätzlichen Vorrichtungen zum Unterbrechen der Schweißung in dem Augenblick, in dem eine Dichtungsplat-

JO te, die einen bestimmten Bereich der Rohrscheibe abdichtet, eine falsche Lage einnimmt.

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13. Vorrichtung zum Einschweißen einer Vielzahl von Rohrenden in eine Rohrscheibe nach den Ansprüchen 8 Ms 12, gekennzeichnet durch eine Elektronenstrahlschweißmaschine zum Erzeugen, Fokussieren und Ablenken eines Elektronenstrahls, dessen Elektronen in einen Raum eintreten, der einen Druck hat, der unterhalb des atmosphärischen Druckes liegt, sowie Dichtungsplatten zum Abdichten der Enden einer Gruppe von Rohren innerhalb dieses Raumes, Einrichtungen zum Bewegen der Elektronenkanone längs horizontaler und vertikaler Achsen "während der Unterdruck aufrechterhalten wird, derart, daß der Strahl auf den Mittelpunkt der Rohrenden gerichtet werden kann, Einrichtungen zum Bestimmen des Mittelpunktes und des Radius der Rohre mit Hilfe von Elektronenstrahlen und Einrichtungen, durch die der Elektronenstrahl einen Weg längs der Verbindungsstelle zwischen den Rohren und der Rohrscheibe beschreibt, und mit denen das Rohr an die Rohrscheibe angeschweißt wird.

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