DE2360829C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Brennfleckdurchmessers auf einem Werkstück bei einer ElektronenstrahlschweiBanlage - Google Patents

Description

Die Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des Brennfleckdurchmessers 3uf einem Werkstück bei einer Elektronenstrahlschweißanlage durch periodische Ablenkung des Elektronenbündels auf einen Elektronenauffänger und zur Stabilisierung des gemessenen Durchmessers durch ι 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 I 7 65 269 bekannt.

lit Bei dieser bekannten Anordnung kann der f okussierungszustand des Elektronenbündel-SchweiDstrahls nur vor dem Schweißen festgestellt werden, was dadurch geschieht, daß das Elektronenbündel zwei bis drei feststehende Elektronenauffänger überquert und die

π Amplitude der von diesen Elektronenauffängern erhaltenen Ausgangssignale miteinander verglichen wird. Nachteilig ist hierbei, daß der Fokussierungszustand nicht während des Schweißvorgangs kontinuierlich überwacht werden kann und außerdem d*:r große

-Ό Aufwand, der durch die Mehrzahl der notwendigen Elektronenauffänger bedingt ist.

Fine ähnliche Technik ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 17 65 714 bekannt, wo ebenfalls Elektronenauffänger im Wege des Elektronenstrahls

-'"> vorgesehen sind und beim Durchgang desselben Impulse abgeben, wobei ebenfalls die Amplitude gemessen wird, weiche proportional der Elektronenmenge und der Zeitdauer des Durchgangs des Elektronenstrahls ist.

so 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

i'i Elektronenstrahl. Außerdem ist die Schnellwirkung dieser Meßverfahren gering.

Eine etwas andere Technik zur Bestimmung des Brennpunktes eines Elektronenstrahles ist aus der US-Patentschrift 34 08 474 zu entnehmen, wo eine

J" geneigte .Schlitzelektrode Verwendung findet, weiche 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 demgegen-

·»'> über, 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 Genauig-

w keit 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 Ausgangsimpul-

w) ses 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

h¹"· 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 Ausgangssignale 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 Eleklronenstrahlkanone im Sinne der Änderung der Fokussierung in Abhängigkeit vom Abweichungssignal wirkt.

In einer weiteren Ausbildung dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es zweckmäßig, ein weiteres Ablenksystem vorzusehen, wobei die beiden Ablenksysteme dann in Ausbreitungsrichtung des Schweiß-Elektronenbündels hintereinander angeordnet sind und in Gegenphase an den Sägezahngenerator gesc.altet 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 vei bleibt der Schweiß-Elektronenstrahl dauernd in der /one der Schweißnaht, so daß es die Qualität der .Schweißung nicht beeinträchtigt, wenn die Ablenkinipulsdauer 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 e Indungsgemäßen 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. !i. die Geschwindigkeit, mit der das Elektronenstrahlbündel über den Auffänger hinwegwandert, eine bestimmte.

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

Fig. 1 schematisch eine Elektronenstrahlschweißanlage und das Blockschaltbild einer automatischen Einrichtung zur Stabilisierung des Brennfleckdurch- ■ messers,

F i g. 2 die Impulsform des Ablenkgenerator,

Fig. 3 die Signalform am Ausgang des Elektronenauffängers,

F i g. 4 ein umgewandeltes Signal des Elektronenauf- t fängers,

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

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

Das zu schweißende Werkstück 1 wird₍ wie durch Doppelpfeil angedeutet, h einer Vakuumkammer 2 der Elektronenstruhlschweißanlage 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. ϊ Zur Elektronenkanone 4 gehört auch ein Fokussiersy stern 8 und ein Ablenksystem 9.

Die Einrichtung zur Stabilisierung des Brennneckdurchmessers auf dem Werkstück 1 weist einen Elektronenauffänger 10 zur Abgabe eines Signals für die

lu 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

is Strom- bzw. Spannungswert dem Sollwert des zu stabilisierenden Hrennfleckdurchmessers proportional ist. Als Bezugssignalquelle 13 kann eine regelbare Gleichspannungsquelle dienen. Zur Stabilisierungseinrichtung gehört ferner ein Verstärker 14 für das

.'() Abweichungssignal der Vergleichsschaltung 12, tier an das Fokussiersystem 8 angeschiossi-' ist.

Der Flektr<inrn;niffiingor IO zur Gewinnung emes Signals für die Elektronenmenge ist in tier Vakuumkammer 2 unbeweglich angeordnet. Sein .Stromanschluß 15

>i 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

ι» Schlitz Elektronenauffänger. Der Sch'it/ dieses Auffan gers wird senkrecht /u der Richtung angeordnet, in der das Elektronenbündel 3 unter Einwirkung des Ablenksv stems 9 abgelenkt wird.

Anstatt des Faraday-Auffängers kann als Geber auch

ι; eine Sonde zur Anwendung kommen, die einen dünnen, mit einem Kühlsystem versehenen Draht aus einem hochschmelzenden Werkstoff, beispielsweise aus Wolf ram. darstellt. Beim Auftreffen des Llekironenstroms des Elektronenbiindels 3 entsteht im Stromkreis

ι» Geber-Widerstand-Erde ein elektrischer Strom, der zeitlich entsprechend (proportional) der Zeit der W-chselwirkung /wischen den Elektronen des Bündels 3 und dem Elektronenauffänger 10 flieLlt. Wird das Elektronenbündel derart abgelenkt, daß e. den Schiit/

■■i des Faraday-Auffängers oder den dünnen Draht senkrecht /u 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

i) nenbündels.

Zur Ablenkung des Elektronenbündels 3 auf den Elektronenauffänger 10 ist in der Einrichtung ein an das Ablenksystem 9 angeschlossener Sägezahngenerator 18 zur Fr?eugung von linear ansteigenden Spannungsim

ί pulsen vorgesehen. Da bei der Ablenkung das Elektronenbündel 3 aus der Zone der Srhwcißnaht herausgeführt wird, muß verhindert werden, daß sich eine derartige Ablenkung auf die Nahtqualität auswirkt. Es hat sich ßezeigt, daß eine ausreichend gute

ο Nahtqualität und Meßgenauigkeit erreicht werden bei einer Ablenkdauer von 5 bis 100 Mikrosekunden und bei einem Impuls-Pause-Verhältnis von ca. I :60 bis ca. 1 :100. Allerdings kann in Abhängigkeit von den Schweißbedingungen und der Leistung der Schweißan-

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

Der Umwandler 11 stellt eine elektronische Schaltung dar, die ein der Impulsdauer im Stromkreis Γ '

auffängcr-Widerstand und folglich dem Brctiiiflcckdurchmcsscr proportionales Signal abgibt. Der Umwandler 11 kann derart ausgeführt sein, daß an seinem Ausgang ein Gleich- bzw. Wechselstrom- oder -spannungssigna! 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-(Spanmmgs) Zeiger- oder Digitalmeßgerät. Zwcckmä-HIfH-IWi-IM- ist ilii-si-s im linearen I inhc-itcn geeicht, so daß der Brcnnfleckdurchmesscr unmittelbar abgelesen werden kann.

Die beschriebene Vorrichtung funktioniert wie folgt: Πης 7IJ schweißende Werkstück ί v/ird in ucv 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 Brennfleckdurchmesscrs eingestellt. An der Bczugssignalquclle 13 wird ein Strom-(Spannungs)wcrl 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 Elcktronenbündel 3 bei der Ablenkung bewegt, überquert es den Schlitz des Elcktronenauffängers 10. Hierbei treten am Widerstand 17 Strom-(Spannungs)impulse auf, deren Verlauf durch die Kurven /?(Fig. 3) dargestellt ist. Die Impulsform entspricht der F.Iektronenvertcilung im Bündel 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 Elcktronenauffängers 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 U₂ (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 (U₂) 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 i4 auf das Fokussiersystcm 8 gelangt und eine Änderung der Fokussierung des Elektroncnbiindcls bewirkt, d. h. die Lage der Brennebene des Eleklroncnbündcls wird geändert.

Bei den nachfolgenden Ablenkungen des Bündels 3 werden der Mcßvorgafig und die Änderung der Fokussierung so lange fortgesetzt, bis das Abweichungssigna! am Ausgang der Vergleichsschaltung 12 abklingt. Das Abweichungssignal verschwindet beim Erreichen des vorgegebenen Brennfleckdurchmcssers.

Vorstehend wurde eine Vorrichtung betrachtet, bei der zur Messung und Stabilisierung des Brennfleckdurchmessers auf einem Werkstück in der Schweißebeine das Elektronenbündel periodisch aus der Zone der Schweißnaht herausgeführt wird. Hierbei wird zur Verringerung der durch die Ablenkung des Bündels hervorgerufenen Lcistungsvcrluste pro Länge der Schweißnaht diese Ablenkung selten und nur für kurze Z.Cii vorgenommen, WH5 die mcügcnäüigiieii ueeiii-

trächtigl 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 werden.

3n Bei der Vorrichtung gemäß Tig. 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 Fig. I.

ίο Nachdem das Elektronenbündel das erste Ablenksystem 9 passiert hat, wird es bei eingeschaltetem Generator 18 abgelenkt und überquert den Elektronenauffänger 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 BrennflecK-durchmessers auf dem Werkstück durch eine Bedienungsperson zu verzichten und die Schweißnahtqualität bei gleichzeitiger Verbesserung der Repröduzierbarkeit von Schweißung zu Schweißung zu erhöhen.

ν-, 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 Belriebsversuchen zur Auswahl

wi 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 Eieklronenstrahlschweißanlage durch periodische Ablenkung des Elektronenbündels auf einen Eleklronenauffänger und zur Stabilisierung des gemessenen Durchmessers durch Änderung der Lage der Brennebene des Eleklronenbündels, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenbündel (J) wührend des Schweißens mit konstanter Geschwindigkeit wenigstens so weit auf den Elektronenauffänger (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 Rokussierungszusland registriert wird und bei einer Abweichung vom Sollzustand die Lage der Brennebene des ElektronenbünJels der Kanone geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekenn-/eiLhncl, d;>l5 zur Ablenkung des Llektronenbündels linear ansteigende Sägezahnimpulse dienen.

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

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen I bis 5, mit einer Klektronenstrahlkanone mit einem Fokussiersystem und einem periodisch von einem Sägezahngenerator beaufschlagten Ablenksystem für deren Elektronenbündel. und mit unern F.lektronenauffänger, welcher in der Bewegungsbahn res abg .lenkten Elektronenbündels angeordnet ist, gekennzeichnet durch einen Wandler(11) /ur Umwandlung· rr Ausgangssignale des Auffängers (10) in Rechteckinipulse und danach in eine Gleichspannung, welche auf eine Vergleichsschaltung (12) gegeben wird, deren anderer Eingang von einer den Sollwert vorgebenden Bezugssignalquelle (IJ) beaufschlagt wird, und deren Ausgang auf das Fokussiersystem (8) der F.lektronenstrahlkanone 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 Eleklronenbündels (3) hintereinander angeordnet und in Gegenphase an den Sägezahngenerator (18) angeschaltet sind, und der Geber (10) 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 F.lektronenbündels 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-Bezugssignals einstellbar ist-