DE2443563B2

DE2443563B2 - Verfahren und Einrichtung zur Konstantregelung der Durchschweißungstiefe bei der Elektronenstrahlschweiüung

Info

Publication number: DE2443563B2
Application number: DE19742443563
Authority: DE
Inventors: Vladimir Konstantinovitsch Lebedev; Aleksei Pavlovitsch Obolonsky; Boris Evgenievitsch Paton; Nikolai Vasilievitsch Podola
Original assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Current assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Priority date: 1974-09-12
Filing date: 1974-09-12
Publication date: 1979-06-28
Also published as: DE2443563C3; DE2443563A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Konstantregelung der Durchschweißungstiefe bei der Elektronenstrahlschweißung mit konstantem Durchmesser des Brennflecks auf dem Werkstück sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aus der DE-AS t9 41 255, DE-AS 20 13 950 oder der US-PS 31 58 733 sind Verfahren zum Elektronenstrahlschweißen bekannt, bei denen eine Fokussierungsregelung in der Weise angewandt wird, daß von der Schweißstelle ausgehende rückgestreute oder abgelenkte Elektronen aufgefangen werden und der hieraus gewonnene Strom über eine Auswerteschaliing zur Anzeige gebracht oder zur Regelung der Elektronenstrahlfokussierung herangezogen wird.

Zwar hat die Elektronenstrahlfokussierung einen Einfluß auf die Durchschweißungstiefe, jedoch hängt diese nicht nur ab von der Fokussierung des

is Elektronenstrahls, sondern auch noch von anderen Einflußgrößen wie Stärke des Elektronenstroms, Beschleunigungsspannung u.a, so daß die bekannten Verfahren keine Regelung der Durchschweißungstiefe bei konstantem Durchmesser des Brennflecks auf dem Werkstück erlauben. Hierum geht es aber im vorliegenden Fall.

Bei der Schweißung von Werkstücken geringer oder mittlerer Dicke in Niederspannungs-Elektronenstrahlanlagen mit einer Leistung von 15 bis 20 kW bei Beschleunigungsspannungen von 50 bis 60 kV ist eine laufende Information über die Durchschweißungstiefe während des Schweißvorgangs nient nur für die Regelung des Schweißens von Bedeutung, sondern auch zur Ermittlung von nichtdurchschweißten Stellen zur nachfolgenden Beseitigung von Schweißfehlern. Ein befriedigendes Verfahren zur kontinuierlichen Feststellung der Durchschweißungstiefe unmittelbar während des Schweißvorgangs zum Zwecke der Kontrolle und Steuerung ohne Verschlechterung der Qualität der

Schweißnaht ist nicht bekannt

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung aufzuzeigen, mit denen die Durchschweißungstiefe der Schweißnaht beim Elektronenstrahlschweißen bei konstantem Durchmesser des Brennflecks auf einfache und zuverlässige Weise geregelt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß man während der Schweißung die Konzentration der Metalldämpfe durch Umwandlung des in der Schweißzone durch die Zusammenwirkung zwischen Elektronenbündel und Dämpfen entstehenden Elektronenstroms in Wechselstrom bzw. Wechselspannung mißt und dessen bzw. deren über 200 Hz liegende Komponente ausfiltert, ihre Amplitude mißt und nach dieser über die Durchschweißungstiefe urteilt

Beim Einwirken des Elektronenstrahls auf das Werkstück kommt es zu einem periodischen explosionsartigen Aufkochen des Werkstücks, wobei eine gewisse Menge des Werkstoffs in Dampfform unter Bildung einer »Metalldampfwolke« aus der Schweißzone ausgeworfen wird. Hieraus erigbt sich eine Änderung der Konzentration der Metalldämpfe oberhalb der Schweißzone, die etwa der Änderung der Durchschweißungstiefe entspricht. Das Austreten des Dampfes geschieht impulsartig.

Ein Teil der Elektronen des Strahls wirkt mit der Metalldampfwolke zusammen, ändert seine Bewegungsrichtung und kann zur Gewinnung eines Signals aufgefangen werden, dessen Größe dann von der Dichte der Metalldampfwolke abhängt Auf diese Weise besteht ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen dem gewonnenen Signal und der Durchschweißungstiefe. Es handelt sich bei den aufgefangenen Elektronen

dabei nicht um Elektronen aus der Schweißzone, sondern um von der pulsierenden Metalldampfwolke reflektierte bzw. abgelenkte Elektronen. Die Frequenz der Pulsationen der Metalldampfwolke und damit auch des gewonnenen Signals erreicht 20 000 Hz und mehr.

Das gewonnene Signal ist außer von der Dichte der Metalldampfwolke auch noch von der Stromstärke des Elektronenstrahls abhängig, wobei diese Stromstärke bei nicht ausreichender Glättung der Speisespannung der Elektronenkanone Pulsationen in der Größenordnung von 0,5 bis 10% je nach der verwendeten Gleichrichterschaltung. Phasenzahl der Speisespannung und Charakteristik der verwendeten Filter aufweisen kann und die Frequenz derselben bei der Grundfrequenz von 50Hz oder der Frequenz der ersten Harmonischen von 100 und 150 Hz liegt Diese Pulsationen der Stromstärke des Elektronenstrahls bewirken entsprechende Pulsationen des gewonnenen Signals, die beim erfindungsgemäßen Vorgehen ausgefiltert werden, so daß das ausgewertete Signal nicht mehr beeinflußt ist von nicht mit der Metalldampfwolkenkonzentration und damit der Durchschwcißungstiefe zusammenhängenden Einflüssen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer zweckmäßigen Weiterbildung so durchgeführt, daß das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignal gleichgerichtet und die erhaltene Meßgröße mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird und bei einer eine Vergrößemng der Durchschweißungstiefe anzeigenden Abweichung die Elektronenstrahlenergie verringert bzw. bei einer eine Verringerung der Durchschweißungstiefe anzeigenden Abweichung die Elektronenstrahlenergie vergrößert wird.

Anstelle einer Verringerung bzw. Vergrößerung der Elektronenstrahlenergie kann es auch zweckmäßig sein, den Elektronenstrahl periodisch mit einer Frequenz, die der Frequenz der erwähnten höherfrequenten Komponente gleich ist, aus der Schweißzone herauszuführen.

Bei dieser Durchführung des Verfahrens wird eine noch besser«» Qualität der Schweißnaht, insbesondere im Nahtgrund erhalten.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ausgegangen von einer Einrichtung mit einer Elektronenkanone und einem in der Nähe der Schweißzone angeordneten Elektronenauffänger, an dessen Ausgang ein Widerstand rrit nachgeschalteter Auswerteschaltung liegt, wobei diese sich erfindungsgemäß auszeichnet durch eine Auswerteschaltung, bestehend aus einem die Frequenzen unter 200 Hz unterdrückenden elektrischen Filter und einem an dessen Ausgang angeschlossenen Gleichrichter, der auf einen der Eingänge einer Vergleichsschaltung wirkt, an deren anderen Eingang ein Bezugssignalgeber angeschlossen ist, wobei der Ausgang der Vergleichsschaltung so an die Elektrodentanone angeschlossen ist, daß die Beaufschlagung der Schweißstelle durch das Elektionenbündel sich in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Vergleichsschaltung ändert

Zweckmäßigerweise ist der Elektronenauffänger eine Faradayfalle, deren Spalt zur Schweißzone hin orientiert ist.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist an den Ausgang des Filters ein Impulsformer angeschlossen, der zusammen mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung auf einen Generator elektrischer Signale wirkt, dessen Ausgang an die Sperrelektrode der Elektronenkanone oder an deren Ablenksystem angelegt ist

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher srläutert Es zeigt
F i g. 1 schematisch eine Einrichtung zur Konstantregelung der Durchschweißungstiefe einer Elektronenstrahlschweißanlage;

F i g. 2 eine unter Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene Naht im Schnitt;
F i g. 3 eine ohne Benutzung des erfindungsgemäßen

ίο Verfahrens erhaltene Naht im Schnitt;

Fig.4 eine bei periodischer Unterbrechung des Elektronenstrahls erhaltene Naht im Schnitt;

F i g. 5 schematisch eine Einrichtung zur Konstantregelung der Durchschweißungstiefe, die eine periodische Herausführung des Elektronenstrahls aus der Schweißzone verwirklicht;

F i g. 6 eine unter Benutzung der Einrichtung gemäß F i g. 5 erhaltene Naht im Schnitt
Die Anlage zur Elektronenstrahlschweißung besteht aus einer elektronenkanone 1, die in einer Unterdruckkammer 2 untergebracht ist und elr.-: Katodeneinheit 3, eine Sperrelektrode 4, eine Anod; 5 und ein Fokussierungssystem 6 enthält Das Elektronenbündel 7 wird durch das Fokussierungssystem, das von einer Selbstfokussierungseinheit 8 gesteuert wird, auf dem in der Unterdruckkammer untergebrachten Werkstück 9 fokussiert Die Selbstfokussierungseinheit 8 arbeitet autonom und nimmt an dem vorliegenden Regelprozeß nicht teil.

ω In der Schweißzone 10 entstehen aus dem Schweißbad Dämpfe, die oberhalb der Schweißzone eine Metalldampfwolke bilden, durch die das Elektronenbündel 7 hindurchgeht, wobei ein Teil der Elektronen abgelenkt und gestreut wird.

Die Einrichtung zur Konstantregelung der Durchschweißungstiefe der Schweißnaht enthält einen in der Unterdruckkammer 2 untergebrachten Elektronenauffänger 11, beispielsweise eine Faradayfalle. Dieser Elektronenauffänger ist so angeordnet, daß er eiuen Teil der in der Metalldampfwolke zerstreuten Elektronen des Elektronenstrahls auffängt, nicht jedoch aus der Sciiweißzone 10 kommende, vom Schweißbad rückgestreute Sekundärelektronen.
An den Elektronenauffänger U ist ein Widerstand 12 angeschlossen, der mit seinem anderen Ende geerdet ist, d. h. auf dem gleichen Nullpotential wie auch das Werkstück liegt

Zur Konstantregelung der Durchschweißungstiefe gehört weiterhin ein an den Ausgang des Elektronenauffängers 11 angeschlossenes elektrisches Filter 13, das Frequenzen ab 200 Hz und darüber durchläßt, ein Verstärker 14 und ein Gleichrichter 15. Die in diesem gewonnene Gleichspannung wird zur Anzeige der Durc'ijchweißungstiefe durch das Gerät Qbenutzt

Außerdem gehört zur Einrichtung eine elektrische Vergleichsschaltung 17, deren einer Eingang über ein Filter 16 am Ausgang des Gleichrichters 15 liegt und deren anderer Eingang von einem Bezugssignalgeber 18 beaufschlagt wi/d. Als Bezugssignalgeber 18 kann jede bekannte einstelloare Strom- bzw. Spannungsquelle benutzt werden.

Der Zusammenhang zwischen der Einstellung des Bezugssignalgebers 18 und der Durchschweißungstiefe kann durch Probeschweißungen an Musterstücken ermittelt werden. Nach Kenntnis des Zusammenhangs kann dann der Einsteller auf den erforderlichen Wert eingestellt und somit die erforderliche Durchschweißungstiefe vorgegeben werden.

Der Ausgang der Vergleichsschaltung 17 ist über einen Verstärker 19 an die Katode 4 der Elektronenkanone 1 zur Steuerung des Schweißstrahlstromes angeschlossen. Durch Änderung der Quellenspannung läßt sich die Stärke des Schweißstrahlstromes und dadurch die Durchschweißungstiefe beeinflussen bzw. konstantregeln. Dies geschieht im einzelnen wie folgt:

Bei der Einwirkung des Elektronenstrahls auf das Werkstück kommt es zu periodischem explosionsartigem Aufkochen des Materials, wobei Metalldämpfe frei werden und sich über der Schweißzone eine Metalldampfwolke bildet, deren Dichte entsprechend periodisch pulsiert. Dabei ist die Änderung dieser Dichte der Durchschweißungstiefe bei konstantem Durchmesser des Brennflecks auf dem Werkstück direkt proportional.

Durch Messen des in der Schweißzone durch Wechselwirkung des Elektronenbündels mit dem Metalldampf entstehenden Elektronenstroms läßt sich die Konzentration der Metaiidämpfe ermittein. Ein Teil der gestreuten Elektronen gelangt zum Elektronenauffänger 11. Wie die durchgeführten Untersuchungen zeigen, hat die Wechselkomponente des an diesem gewonnenen Signals eine Grundharmonische zwischen 0,2 und 10 bis 15 kHz je nach dem Werkstoff des Werkstücks. Beim Schweißen von Wolfram hat die Wechselkomponente zum Beispiel eine Frequenz von 5 bis 7 kHz, beim Schweißen von Kupfer 1 bis 2 kHz und beim Schweißen von Aluminium und dessen Legierungen von 0,5 bis 1 kHz. Die Amplitude der Wechselkomponente des Signals des Elektronenauffängers 11 hängt von dem Streuungsgrad der Elektronen und damit von der Konzentration des Metalls in der Metalldampfwolke ab und nimmt mit der Vergrößerung der Schweißnahttiefe zu. Somit fließt zwischen Elektronenauffänger 11 und Erde ein Strom, dessen Amplitude der Menge der aufgefangenen Elektronen und damit der Durchschweißungstiefe proportional ist. Der diesem Strom proportionale Spannungsabfall am Widerstand 12 wird wie folgt weiterverarbeitet:

Durch das Filter 13 werden die unter ca. 200 Hz liegenden Komponenten unterdrückt und die höherfrequenten Komponenten werden nach Verstärkung im Verstärker 14 dem Gleichrichter 15 zugeführt.

Die dem Gleichrichter entnommene Spannung wird zur Anzeige der Durchschweißungstiefe durch das Anzeigegerät Q sowie zum Vergleichen mit dem Signal des Bezugssignalgebers 18 in der Vergleichsschaltung benutzt Das Verstimmungssignal der Vergleichsschaltung 17 gelangt über den Verstärker 19 zur Elektronenkanone 1 zur Änderung des Schweißstroms des Elektronenbünde!i 7. Diese Stromänderung hält so lange an, bis das Verstimmungssignal am Ausgang der Vergleichsschaltung 17 verschwunden ist _

Die Änderung des Stromes führt zur Änderung der die Schweißzone beaufschlagenden Energie, wobei zur Konstantregelung der Durchschweißungstiefe bei einer Zunahme der Konzentration der Metalldämpfe die Energie vermindert wird, während bei einer Abnahme der Konzentration der Metaiidämpfe diese Energie erhöht wird.

F i g. 2 und 3 zeiget·, im Schnitt Nähte, die man durch Elektronenstrahlschweißung unter Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens (Fig.2) und unter Benutzung der bisher bekannten Verfahren (F i g. 3) erhalten hat Wie aus dem Vergleich dieser Figuren hervorgeht, hat die unter Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene Naht ein wesentlich gleichmäßigeres Profil im Nahtgrund. Die vorhandenen geringfügigen Spitzen sind dadurch hervorgerufen, daß die Regelung der die Schweißzone beaufschlagenden Energie mit einer gewissen Verzögerung gegenüber der Änderung der Durchschweißungstiefe wirksam wird.

Eine bessere Form des Nahtgrundes (s. F i g. 4) und der Makroschliffe (Fig.6) kann man erhalten, wenn man das Elektronenbündel 7 mit einer Frequenz unterbricht, die der Änderungsfrequenz der Konzentration der Metalldämpfe über dem Schweißbad gleich ist.

in Auf dem Abschnitt AB von Fig.6 wurde die Schweißung auf gewöhnliche Art durchgeführt und auf dem Abschnitt BC mit optimaler Einstellung des die periodischen Unterbrechungen bewirkenden Sperrsystems auf eine Frequenz, die der Änderungsfrequenz der

!■', Konzentration der Metalldämpfe gleich ist Auf den Abschnitten CD und DE ist eine Naht gezeigt, die man unter Änderung der Durchschweißungstiefe zur Vorführung der Möglichkeit einer Steuerung der Durchschwei-Sungsiiefe beim Schweißen mii kur/.zeiiiger Uiiierorechung des Schweißbündels erhalten hat

Die in Fig.5 gezeigte Anlage zur Elektronenstrahlschweißung mit schnellerer Reaktion auf die Einwirkungen, die zur Änderung der Durchschweißungstiefe führen, entspricht in ihrem Aufbau der in F i g. 1

2-, gezeigten Anlage mit Ausnahme folgender Unterschiede: An den Verstärker 14 ist außer dem Gleichrichter 15 ein Impulsformer 20 angeschlossen, der bei Beginn der am Aifigung des Verstärkers 14 erscheinenden Halbwellen Impulse erzeugt, die also der Wechselkomponen-

)o te synchron sind. Diese Impulse wirken auf einen der Eingänge eines Sperr- bzw. Ablenkimpulsgenerators, dessen anderer Eingang vom Vv.>rstimmungssignal der Vergleichsschaltung 17 beaufschlagt wird. Der Sperrbzw. Ablenkimpulsgenerator wird durch jeden Impuls

is vom Impulsformer 20 zur Erzeugung eines Impulses angestoßen, dessen Dauer von der Größe des Verstimmungssignals abhängt, welches von der Vergleichsschaltung 17 eintrifft Der Ausgang des Generators 21 wirkt über einen Verstärker 23 auf die Sperrelektrode 4 der Kanone 1 oder über einen Verstärker 22 auf ein Elektronenstrahlablenksystem 24 der Kanone.

Beim Schweißen erscheint am Ausgang des Verstärkers 14 die nicht ausgefilterte Wechselkomponente der Spannung am Widerstand IZ Der Impulsformer erzeugt kurzzeitige Spannungsimpulse, die mit dem Anfang der Halbwellen der Wechselkomponente und somit mit dem Beginn von Metalldampferuptionen aus der Schweißzone synchronisiert sind. Diese Synchronisierimpulse stoßen den Sperr- bzw. Ablenkgenerator 21 an, der seinerseits Impulse einer Dauer erzeugt, die der Größe des von der Vergleichsschaltung 17 eintreffenden Gleichspannungs-Verstimmungssignals proportional sind Diese Signalgröße hängt wiederum ab von der Differenz zwischen der der vorgegebenen Durchschweißungstiefe proportionalen Spannung, die am Bezugssignalgeber 18 eingestellt ist, und der der wirklichen Durchschweißungstiefe proportionalen Spannung, die dem Filter 16 entnommen wird.

Die vom Generator 21 erzeugten Impulse sperren die Elektronenemission der Kanone 1 oder lenken deren Strahl derart ab, daß die Durchschweißungstiefe dem

vorgegebenen Wert entspricht

Bei diesem Betriebsverlauf ist die Wechselwirkung

zwischen der Metalldampfwolke und dem Elektronenstrahl vermindert, und zwar vor allem unmittelbar nach jeder Metalldampferuption, wodurch noch glattere und gleichmäßigere Schweißnähte erzielt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Konstantregelung der Durchschweißungstiefe bei der Elektronenstrahlschwei-Qung mit konstantem Durchmesser des Brennflecks auf dem Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Schweißung die Konzentration der Metalldämpfe durch Umwandlung des in der Schweißzone durch die Zusammenwirkung zwischen Elektronenbündel (7) und Dämpfen entstehenden Elektronenstroms in Wechselstrom bzw. Wechselspannung mißt und dessen bzw. deren Ober 200 Hz liegende Komponente ausfiltert, ihre Amplitude mißt und nach dieser über die Durchschweißungstiefe urteilt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselstrom- bzw. Wechselspannungssignal gleichgerichtet und die erhaltene Meßgröße mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird und Lei einer eine Vergrößerung der Durchschweißungstiefe anzeigenden Abweichung die Elektronenstrahlenergie verringert bzw. bei einer eine Verringerung der Durchschweißungstiefe anzeigenden Abweichung die Elektronenstrahlenergie vergrößert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man periodisch mit einer Frequenz, die der Frequenz der erwähnten höherfrequenten Komponente gleich ist, das Elektronenbände! (7} aus der Schweißzone herausführt

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Elektronenkanone und einem in der Nähe der Schweißzone angeordneten Elektronenauffänger, an dessen Ausgang ein Widerstand mit nachgeschalteter Auswerteschaltung liegt, gekennzeichnet durch eine Auswerteschaltung, bestehend aus einem die Frequenzen unter 200 Hz unterdrückenden elektrischen Filter (13) und einem an dessen Ausgang angeschlossenen Gleichrichter (15), der auf einen der Eingänge einer Vergleichsschaltung (17) wirkt, an deren anderen Eingang ein Bczugssignalgeber (18) angeschlossen ist, wobei der Ausgang der Vergleichsschaltung (17) so an die Elektronenkanone (1) angeschlossen ist, daß die Beaufschlagung der Schweißstelle durch das Elektronenbündel sich in _#δ Khän^cri^CTkeit υοϊώ Aus^tTan^crss!^anal der Vergleichsschaltung ändert.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektronenauffänger (11) eine Faradayfalle dient, deren Spalt zur Schweißzone hin orientiert ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Filters (13) ein Impulsformer (20) angeschlossen ist, der zusammen mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung (17) auf einen Generator (21) elektrischer Signale wirkt, dessen Ausgang an die Sperrelektrode (4) der Elektronenkanone (1) oder an deren Ablenksystem (24) angelegt ist (F ig. 5).