DE2360829B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Brennfleckdurchmessers auf einem Werkstück bei einer Elektronenstrahlschweißanlage - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des Bi ennfleckdurchmessers auf einem Werkstück bei einer Elektronenstrahlschweißanlage durch periodische Ablenkung des Elektronenbündels auf einen Elektronenauffänger und zur Stabilisierung des gemessenen Durchmessers durch Änderung der Lage der Brennebene des Elektronenbündels sowie auf Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens. Die vorliegend vorausgesetzte Technik ist z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift 17 65 269 bekannt

Bei dieser bekannten Anordnung kann der Fokussierungszustand des Elektronenbündel-Schweißstrahls nur vor dem Schweißen festgestellt werden, was dadurch geschieht, daß das Elektronenbündel zwei bis drei feststehende Elektronenauffänger überquert und die Amplitude der von diesen Elektronenauffängera erhaltenen Ausgangssignale miteinander verglichen wird. Nachteilig ist hierbei, daß der Fokussierungszustand nicht während des Schweißvorgangs kontinuierlich überwacht werden kann und außerdem der große Aufwand, der durch die Mehrzahl der notwendigen Elektronenauffänger bedingt ist

Eine ähnliche Technik ist aus der deutschen Offenlegurcgsschrift 17 65714 bekannt, wo ebenfalls Elektronenauffänger im Wege des Elektronenstrahls vorgesehen sind und beim Durchgang desselben Impulse abgeben, wobei ebenfalls die Amplitude gemessen wird, welche proportional der Elektronenmenge und der Zeitdauer des Durchgangs des Elektronenstrahls ist.

Im übrigen haben diese bekannten Verfahren eine geringe Genauigkeit, weil die Amplitude der von den Elektronenauffängern abgegebenen Signal nicht nur abhängt von der Lage des Brennpunktes relativ zum Auffänger, sondern auch von der Stromdichte im Elektronenstrahl. Außerdem ist die Schnellwirkung dieser Meßverahren gering.

Eine etwas andere Technik zur Bestimmung des Brennpunktes eines Elektronenstrahles ist aus der US-Patenischiift 34 08 474 zu entnehmen, wo eine geneigte Schlitzelektrode Verwendung findet, welche unter den hin- und hergehenden Elektronenstrahl gesetzt wird. Die Messung erfolgt hier jedoch auf andersartige Weise mittels eines Oszillographen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem unmittelbar während des Schweißens der Brennfleckdurchmesser kontinuierlich festgestellt und stabilisiert werden kann, wobei sämtliche eine Änderung desselben bewirkenden Einflüsse erfaßt werden. Dabei soll eine hohe Genauigkeit erzielt werden. Ferner sollen Vorrichtungen geschaffen werden, die zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignet sind.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Technik wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Elektronenbündel während des Schweißens mit konstanter Geschwindigkeit wenigstens so weit auf den Elektronenauffänger abgelenkt wird, daß es mit einer Hälfte seines Querschnitts auf diesen auftrifft, und daß die Dauer des Ausgangsimpulses des Auffängers als Maß für den Fokussierungszustand registriert wird und bei einer Abweichung vom Sollzustand die Lage der Brennebene des Elektronenbündels der Kanone geändert wird.

Zweckmäßigerweise dienen zur Ablenkung des Elektronenbündels linear ansteigende Sägezahnimpulse. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das Impuls-Pause-Verhältnis der linear ansteigenden Impulse zwischen 1:60 und 1:100 liegt und die Impulsdauer 5 bis

100 Mikrosekunden beträgt

Zur Durchführung dieses Verfahrens kann eine Vorrichtung mit einer Elektronenstrahlkanone mit einem Fokussiersystem und einem periodisch von einem Sägezahngenerator beaufschlagten Ablenksystem für deren Elektronenbündel, und mit einem Elektronenauffänger, welcher in der Bewegungsbahn des abgelenkten Elektronenbündels angeordnet ist, dienen, wobei erfindunsgemäß vorgesehen ist ein Wandler zur Umwandlung der Ai^gangssignale des Auffängers in Rechteckimpulse und danach in eine Gleichspannung, welche auf eine Vergleichsschaltung gegeben wird, deren anderer Eingang von einer den Sollwert vorgebenden Bezugssignalquelle beaufschlagt wird, und deren Ausgang auf das Fokussiersystem der Elektronenstrahlkanone im Sinne der Änderung der Fokussierung in Abhängigkeit vom Abweichungssignal wirkt

in einer weiteren Ausbildung dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es zweckmäßig, tin weiteres Ablenksystem vorzusehen, wobei die beiden Ablenksysteme dann in Ausbreitungsrichtung des Schweiß-Elektronenbündels hintereinander angeordnet sind und in Gegenphase an den Sägezahngenerator geschaltet sind, und wobei der Geber im Wege des abgelenkten Bündels zwischen den Ablenksystemen angeordnet ist und die Ablenkungen durch die beiden Ablenksysteme sich gegenseitig in der Weise aufheben, daß sich die Auftreffstelle des Elektronenbündels auf das Werkstück bei der Ablenkung nicht bewegt.

Bei einer solchen Ausbildung verbleibt der Schweiß-Elektronenstrahl dauernd in der Zone der Schweißnaht, so daß es die Qualität der Schweißung nicht beeinträchtigt, wenn die Ablenkimpulsdauer vergrößert und das Impuls-Pause-Verhältnis verkleinert wird; außerdem wird die Schnellwirkung und die Genauigkeit mit der Vorrichtung verbessert, ohne daß die Durchschmelztiefe abnimmt

Es ist zweckmäßig, wenn die Bezugssignalquelle ein Gleichspannungssignal erzeugt, welches vorteilhafterweise einstellbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Technik wird im Gegensatz zu den bekannten Ausbildungen zur Messung und Beeinflussung des Brennfleckdurchmessers des Elektronenstrahlbündels die Zeitdauer der Beaufschlagung des Elektronenauffängers als Maß für den Fokussierungszustand genommen. Deshalb ist die Ablenkungsgeschwindigkeit d. h. die Geschwindigkeit, mit der das Elektronenstrahlbündel über den Auffänger hinwegwandert, eine bestimmte.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Elektronenstrahlschvveißanlage und das Blockschaltbild einer automatischen Einrichtung zur Stabilisierung des Brennfleckdurchmessers,

F i g. 2 die Impulsform des Ablenkgenerators,

F i g. 3 die Signalform am Ausgang des Elektronenauffängers,

F i g. 4 ein umgewandeltes Signal des Elektronenauffängers,

F i g. 5 die Spannung am Ausgang des Umwandlers,

Fig.6 schematisch eine andere Elektronenstrahlschweißanlage für Werkstücke im Vakuum und das Blockschaltbild einer automatischen Einrichtung zur Stabilisierung des Brennfleckdurchmessers.

Das zu schweißende Werkstück 1 wird, wie durch Doppelpfeil angedeutet, in einer Vakuumkammer 2 der Elektronenstrahlschweißanlage hin- und herbewegt Die zur Schweißung dienende Elektronenkanone 4 hat eine Kathode 5, eine Steuerelektrode 6 und eine Anode 7. Das Elektronenbündel ist mit 3 bezeichnet Zur Elektronenkanone 4 gehört auch ein Fokussiersystem 8 und ein Ablenksystem 9.

Die Einrichtung zur Stabilisierung des Brennfleckdurchmessers auf dem Werkstück ι weist einen Elektronenauffänger 10 zur Abgabe eines Signals für die

ίο Elektronenmenge und einen Umwandler 11 von Wechselstrom bzw. -spannung in Gleichstrom bzw. -spannung auf, dessen Ausgang an eine Vergleichsschaltung 12 angeschlossen ist, deren anderer Eingang an eine Bezugssignalquelle 13 angeschlossen ist deren Strom- bzw. Spannungswert dem Sollwert des zu stabilisierenden Brennfleckdurchmessers proportional ist Als Bezugssignalquelle 13 kann eine regelbare Gleichspannungsquelle dienen. Zur Stabilisierungseinrichtung gehört ferner ein Verstärker 14 für das Abweichungssignal der Vergleichsschaltung 12, der an das Fokussiersystem 8 angeschlossen ist

Der Elektronenauffänger 10 zur Gewinnung eines Signals für die Elektronenmenge ist in der Vakuumkammer 2 unbeweglich angeordnet Sein Stromanschluß 15 ist aus der Kammer 2 über eine elektrisch isolierende

Dichtungsbuchse 16 herausgeführt. Im Kreis des Stromanschlußes liegt ein Widerstand 17, der elektrisch

mit den Wänden der Kammer 2 verbunden (geerdet) ist

Als Elektronenauffänger 10 dient ein Faraday-

Schlitz-Elektronenauffänger. Der Schlitz dieses Auffängers wird senkrecht zu der Richtung angeordnet, in der das Elektronenbündel 3 unter Einwirkung des Ablenksystems 9 abgelenkt wird. Anstatt des Faraday-Auffängers kann als Geber auch eine Sonde zur Anwendung kommen, die einen dünnen, mit einem Kühlsystem versehenen Draht aus einem hochschmelzenden Werkstoff, beispielsweise aus Wolfram, darstellt. Beim Auftreffen des Elektronenstroms des Elektronenbündels 3 entsteht im Stromkreis Geber-Widerstand-Erde ein elektrischer Strom, der zeitlich entsprechend (proportional) der Zeit der Wechselwirkung zwischen den Elektronen des Bündels 3 und dem Elektronenauffänger 10 fließt. Wird das Elektronenbündel derart abgelenkt daß es den Schütz des Faraday-Auffängers oder den dünnen Draht senkrecht zu deren Längsachse schneidet, so ist die Zeit der Wechselwirkung von Elektronen und Elektronenauffänger und folglich auch das Ausgangssignal des letzteren proportional dem Durchmesser des Elektro nenbündels.

Zur Ablenkung des Elektronenbündels 3 auf den Elektronenauffänger 10 ist in der Einrichtung ein an das Ablenksystem 9 angeschlossener Sägezahngenerator 18 zur Erzeugung von linear ansteigenden Spannungsim pulsen vorgesehen. Da bei der Ablenkung das Elektronenbündel 3 aus der Zone der Schweißnaht herausgeführt wird, muß verhindert werden, daß sich eine derartige Ablenkung auf die Nahtqualität auswirkt Es hat sich gezeigt daß eine ausreichend gute Nahtqualität und Meßgenauigkeit erreicht werden bei einer Ablenkdauer von 5 bis 100 Mikrosekunden und bei einem Impuls-Pause-Verhältnis von ca. 1 :60 bis ca. 1 :100. Allerdings kann in Abhängigkeit von den Schweißbedingungen und der Leistung der Schweißan-

h> lage das Impuls-Pause-Verhältnis auch sehr wesentlich über die genannten Grenzen hinausgehen.

Der Umwandler U stellt eine elektronische Schaltung dar, die ein der Imnulsdauer im Stromkreis Elektronen-

auffänger-Widerstand und folglich dem Brennfleckdurchmesser proportionales Signal abgibt. Der Umwandler 11 kann derart ausgeführt sein, daß am seinem Ausgang ein deich- bzw. Wechselstrom- oder -spannungssignal erscheint. Am zweckmäßigsten ist es, zur nachfolgenden Verarbeitung ein Gleichstromsignal zu erzeugen. Es ist auch möglich, einen Umwandler zu verwenden, der ein Ausgangssignal in Gestalt von Impulsen in analoger oder digitaler Form erzeugt.

An den Umwandler 11 kann bei Bedarf ein Anzeigegerät 19 für dessen Ausgangssignal angeschlossen werden, zum Beispiel ein beliebiges Strom-(Spannungs)-Zeiger- oder Digitalmeßgerät. Zweckmäßigerwei.sc ist dieses in linearen Einheiten geeicht, so daß der Brennfleckdurchmesser unmittelbar abgelesen werden kann.

Die beschriebene Vorrichtung funktioniert wie folgt:

Das zu schweißende Werkstück 1 wird in der Vakuumkammer 2 untergebracht und es wird die Elektronenkanone 4 eingeschaltet. Durch Auf- oder Abwärtsbewegung des Werkstücks 1 oder durch Änderung der Fokussierung des Fokussiersystems 8 wird die erforderliche Größe des Brennfleckdurchmessers eingestellt. An der Bezugssignalquelle 13 wird ein Strom-(Spannungs)wert eingestellt, der dem Wert des zu stabilisierenden Durchmessers entspricht. Der Strom- bzw. Spannungswert der Bezugssignalquelle 13 wird durch die vorherige Schweißung von Mustern bestimmt. Danach ist die Anlage zum Schweißen des Werkstücks bereit.

Es wird die Elektronenkanone 4 eingeschaltet und mit der Schweißung begonnen. Gleichzeitig wird der Generator 18 eingeschaltet und am Ablenksystem 9 treffen Sägezahnimpulse A (Fig.2) ein, die eine periodische lineare Verschiebung des Elektronenbündels 3 in die Stellung 3' bewirken.

In dem Maße, wie sich das Elektronenbündel 3 bei der Ablenkung bewegt, überquert es den Schlitz des Elektronenauffängers 10. Hierbei treten am Widerstand 17 Strom-(Spannungs)impulse auf, deren Verlauf durch die Kurven B (F i g. 3) dargestellt ist. Die Impulsform entspricht der Elektronenverteilung im Bünde! 3 und die Impulsdauer auf einem bestimmten Niveau (Linie a-b) ist bei einer bestimmten konstanten Bewegungsgeschwindigkeit und wegen der festen Abmessungen des Schlitzes des Elektronenauffängers 10 dem Brennfleckdurchmesser proportional.

Im Umwandler 11 werden die Impulse B in für eine nachfolgende Verarbeitung geeignete Rechteckimpulse C oder Spannung U\ und anschließend in eine Gleichspannung Lk(F i g. 5) umgewandelt

Mit dem Anzeigegerät 19 wird die Gleichspannung am Ausgang des Umwandlers 11 gemessen. Die Anzeigen des Anzeigegerätes können auch bei der Einstellung der Anlage auf den vorgegebenen Brennfleckdurchmesser verwertet werden.

Die Gleichspannung (Lh) gelangt vom Ausgang des Umwandlers auf die Vergleichsschaltung 12, wo sie mit der Spannung der Bezugssignalquelle 13 verglichen wird. Sind die Werte einander nicht gleich, so wird ein Abweichungssignal erzeugt, welches nach einer Verstärkung durch den Verstärker 14 auf das Fokussiersystem 8 gelangt und eine Änderung der Fokussierung des Elektronenbündels bewirkt, d. h. die Lage der Brennebene des Elektronenbündels wird geändert.
Bei den nachfolgenden Ablenkungen des Bündels 3 werden der Meßvorgang und die Änderung der Fokussierung so lange fortgesetzt, bis das Abweichungssignal am Ausgang der Vergleichsschaltung 12 abklingt. Das Abweichungssignal verschwindet beim Erreichen des vorgegebenen Brennfleckdurchmessers.

ίο Vorstehend wurde eine Vorrichtung betrachtet, bei der zur Messung und Stabilisierung des Brennfleckdurchmessers auf einem Werkstück in der Schweißebene das Elektronenbündel periodisch aus der Zone der Schweißnaht herausgeführt wird. Hierbei wird zur Verringerung der durch die Ablenkung des Bündels hervorgerufenen Leistungsverluste pro Länge der Schweißnaht diese Ablenkung selten und nur für kurze Zeit vorgenommen, was die Meßgenauigkeit beeinträchtigt und dazu zwingt, von einer verhältnismäßig komplizierten Schaltung im Umwandler Gebrauch zu machen.

Fig.6 zeigt eine andere Ausführungsvariante der Vorrichtung zur Messung und Stabilisierung des Brennfleckdurchmessers, deren Arbeitsweise analog der oben beschriebenen ist, es jedoch möglich ist, den Durchmesser des Elektronenbündels zu messen und zu stabilisieren, ohne es aus der Zone der Schweißnaht herauszuführen. Dadurch können auch diese vorgenannten Mängel noch beseitigt v/erden.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig.6 wirkt der Generator 18 auf zwei Ablenksysteme 9 und 9', die hintereinander längs der Ausbreitungsachse des Schweiß-Elektronenbündels angeordnet sind und verschiedene Ablenkungswinkel hervorrufen. Die beiden Ablenksysteme sind an den Ausgang des Sägezahngenerators 18 in Gegenphase miteinander geschaltet Der Elektronenauffänger 10 liegt zwischen den Ablenksystemen 9 und 9'. Die übrigen Bauelemente der Einrichtung entsprechen denen von F i g. 1.

Nachdem das Elektronenbündel das erste Ablenksystem 9 passiert hat, wird es bei eingeschaltetem Generator 18 abgelenkt und überquert den Elektronenaufiänger 10. Hierbei wird der Brennfleckdurchmesser, wie oben beschrieben, registriert. Unter der Einwirkung des zweiten Ablenksystems 9' wird das Elektronenbündel erneut derart abgelenkt, daß es auf denselben Punkt der Schweißnaht auftrifft, wie wenn keine Ablenkung stattgefunden hätte.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gestattet es, auf eine Sichtkontrolle des Brennfleckdurchmessers auf dem Werkstück durch eine Bedienungsperson zu verzichten und die Schweißnahtqualität bei gleichzeitiger Verbesserung der Reproduzierbarkeit von Schweißung zu Schweißung zu erhöhen.

v> Da während des Schweißens der Brennfleckdurchmesser konstantgeregelt wird, werden alle Einflußfaktoren erfaßt und die Konstantregelung ist sehr genau. Wesentlich ist auch die Ermöglichung einer Verminderung des Umfanges von Betriebsversuchen zur Auswahl

hi> der Schweißbedingungen und die Möglichkeit, bei bestimmten Konfigurationen des Werkstücks auf solche überhaupt zu verzichten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung des Brennfleckdurchmessers auf einem Werkstück bei einer Elektronenstrahlschweißaniage durch periodische Ablenkung des Elektronenbündels auf einen Elektronenauffänger und zur Stabilisierung des gemessenen Durchmessers durch Änderung der Lage der Brennebene des Elektronenbündels, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenbündel (3) während des Schweißens mit konstanter Geschwindigkeit wenigstens so weit auf den Elektroncnauffänger (10) abgelenkt wird, daß es mit einer Hälfte seines Querschnitts auf diesen auftrifft, und daß die Dauer des Ausgangsimpulses des Auffängers (10) als Maß für den Fokussierungszustand registriert wird und bei einer Abweichung vom Sol'zustand die Lage der Brennebene des Elektronenbündels der Kanone geändert wird.

2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ablenkung des Elektronenbündels linear ansteigende Sägezahnimpulse dienen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Impuls-Pause-Verhältnis der linear ansteigenden Impulse zwischen 1 :60 und 1 :100 liegt und die Impulsdauer 5 bis 100 Mikrosekunden beträgt

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, mit einer Elektronenstrahlkanone mit einem Fokussiersystem und einem periodisch von einem Sägezahngenerator beaufschlagten Ablenksystem für deren Elektronenbündel, und mit einem Elektronenauffänger, welcher in der Bewegungsbahn des abgelenkten Elektronenbündels angeordnet ist, gekennzeichnet durch einen Wandler (11) zur Umwandlung der Ausgangssignale des Auffängers (10) in Rechteckimpulse und danach in eine Gleichspannung, welche auf eine Vergleichsschaltung (12) gegeben wird, deren anderer Eingang von einer den Sollwert vorgebenden Bezugssignalquelle (13) beaufschlagt wird, und deren Ausgang auf das Fokussiersystem (8) der Elektronenstrahlkanone im Sinne der Änderung der Fokussierung in Abhängigkeit vom Abweichungssignal wirkt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein weiteres Ablenksystem (9'), wobei die beiden Ablenksysteme (9, 9') in Ausbreitungsrichtung des Elektronenbündels (3) hintereinander angeordnet und in Gegenphase an den Sägezahngenerator (18) angeschaltet sind, und der Geber (10) so im Wege des abgelenkten Bündels zwischen den Ablenksystemen angeordnet ist und die Ablenkungen durch die beiden Ablenksysteme (9, 9') sich gegenseitig in der Weise aufheben, daß sich die Auftreffstelle des Elektronenbündels auf das Werkstück (1) bei der Ablenkung nicht bewegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugssignalquelle (13) ein Gleichspannungssignal erzeugt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pegel des Gleichspannungs-Be-' zugssignals einstellbar ist.