DE2460424A1

DE2460424A1 - Strahlstromsteuerung einer elektronenstrahl-schweissmaschine

Info

Publication number: DE2460424A1
Application number: DE19742460424
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Mayer
Original assignee: INSTITUT fur KERNTECHNIK und ENERGIEWANDLUNG EV
Current assignee: INSTITUT fur KERNTECHNIK und ENERGIEWANDLUNG EV
Priority date: 1974-12-20
Filing date: 1974-12-20
Publication date: 1976-07-01
Also published as: FR2294793B1; US3999032A; GB1535747A; DE2460424B2; JPS5198643A; FR2294793A1; JPS5319546B2

Description

DR.-ING. EUGEN MAIER DR.-ING. ECKHARD WOLF

PATENTANWÄLTE

PRESDNER BANK AQ

0711>₂4₂7β1/₂ STUTTGART N R. 1 92Ο

TELEGRAMME: MENTOR 7 STUTTGART 1, P I S C H E K STR. 1 9 POSTSCHECK STQT. 252OO-7OS

f - kt

Institut für Kerntechnik und Energiewandlung e.V.

7 Stuttgart 8O₁ Holderbuschweg 52

Strahlstromsteuerung einer Elektronenstrahl-Schweißmaschine

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung des Strahlstromes einer tidodenartig aufgebauten Elektronenstrahl-Schweißmaschine mit einer Spannungsteilerschaltung, deren mit den Polen einer Hochspannungsquelle verbundene Außenklemmen mit der Wehneltelektrode und der auf Erdpotential liegenden Anode und deren Teilerabgriff mit der Kathode verbunden sind, und deren zur Strecke Wehneltelektrode Kathode paralleler Teilerwiderstand über ein auf Erdpotential liegendes Steuerglied einstellbar ist.

609827/0398

A 11 708 22.11.1974 - 2 - f - kt

Bei Elektronenstrahl-Schweißmaschinen dieser Art erfolgt die Strahlstromsteuerung durch entsprechende Einstellung des Potentialunterschieds zwischen Wehneltelektrode und Kathode. Es ist bekannt, die Einstellung des Potentialunterschieds durch Änderung des Widerstandes einer in der Kathodenzuleitung des Elektronenstrahlerzeugungssystems angeordneten ohmschen Widerstandskette vorzunehmen. Die Widerstandsänderung erfolgt dabei schrittweise mit Hilfe eines Schrittmotors. Diese Schaltung gewährleistet zwar mit dem als" Gegenkopplung wirkenden Kathodenwiderstand eine gewisse Selbststabilisierung des Strahlstromes. Andererseits weist sie aber eine Reihe erheblicher Nachteile auf. Hierbei ist an erster Stelle die Trägheit des mechanischer Systems zu nennen, die eine rasche Einstellung und Umstellung nicht erlaubt. Hinzu kommt, daß der Widerstand nur schrittweise änderbar ist, weshalb eine kontinuierliche Einstellung des Strahlstromes auf beliebige Zwischenwerte nicht möglich ist. Aufgrund der sprunghaften Änderung des Strahlstromes zwischen den einzelnen Schaltstufen ist zum einen die Einstellung des Strahlstromes nicht exakt reproduzierbar, da schon eine sehr kleine Verstellung des Einstellknopfes einen Stuf ensprung hervorruf en kann. Zum anderen besteht im Hinblick auf die Schweißung die Gefahr, daß es beim stufenweisen Abschalten des Strahlstromes zu einer Lunkerbildung und somit zu einer fehlerhaften Schweißnaht kommt. Die stufenweise Verstellung des bekannten Stellgliedes und

609827/0398

■™ j ·■·■

A 11 708 18.12.1974 - 3 - f - kt

dessen Trägheit steht auch einer Regelmöglichkeit des Strahlstromes entgegen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die eine kontinuierliche und stabile Einstellung sowie eine trägheitslose Steuerung des Strahl-Stromes erlaubt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß der zur Strecke Wehnelt-Elektrode - Kathode parallele Teilerwiderstand durch eine Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand und einer steuerbaren Elektronenröhre gebildet ist, und daß ein dem durch den Röhrenzweig fließenden Strom proportionaler Meßwert als Strahlstrom-Istwert an den einen Eingang eines Regelkomparators angelegt ist, dessen zweiter Eingang mit einem an dem als Sollwertgeber ausgebildeten Steuerglied einstellbaren Sollwertsignal beaufschlagt ist und über dessen Ausgang die Elektronenröhre ansteuerbar ist.

Der ohmsche Widerstand der Parallelschaltung sorgt dafür, daß bei gesperrter Elektronenröhre eine bestimmte Wehnelt-Spannung aufgebaut wird, die der Sperrspannung des Elektronenstrahlerzeugungssystems der Schweißmaschine entspricht. Die V7ehneIt-Spannung läßt sich durch Veränderung

60 9 8 27/0398

A 11 708 18.12.1974 - 4 - f - kt

des Innenwiderstandes der Elektronenröhre über die an dem Steuergitter angelegte Spannung steuern. Der bei einer Erniedrigung der Wehnelt-Spannung einsetzende Strahlstrom fließt dabei im wesentlichen durch den Röhrenzweig. Zur Stabilisierung und Regelung des Strahlstromes auf einen bestimmten Wert wird ein dem Strom durch den Röhrenzweig proportionaler Meßwert als Strahlstrom-Istwert einem Regler zugeleitet, der außerdem mit einem Sollwertsignal beaufschlagt und mit der Steuerelektrode der Elektronenröhre verbunden ist.

Allerdings kann bei dieser einfachsten erfindungsgemäßen Schaltung noch ein wenn auch geringer zusätzlicher Strom von der Teilerschaltung durch die Elektronenröhre fließen, so daß der etwa an einem Widerstand des Röhrenkreises gemessene Strom nicht exakt dem Strahlstrom entspricht. Zur Vermeidung dieses Nachteils wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß der ,die Elektronenröhre enthaltende Zweig der Parallelschaltung unmittelbar und die die ohmschen Widerstände enthaltenden Zweige der Teilerschaltung mittelbar über eine beim Betrieb der Schweißmaschine den Stromdurchgang sperrende Diode mit der Kathode der Schweißmaschine verbunden sind. Auf diese Weise ist einmal gewährleistet, daß die Wehnelt-Spannung bei gesperrter Elektronenröhre auf einem definierten, durch den ohraschen Widerstand der Parallelschaltung bestimmten Viert gehalten wird, und zwar

609827/0398 _ ₅ .

A 11 708 18.12.1974 - 5 - f - kt

unabhängig davon, wie groß das Verhältnis der Innenwiderstände der Röhre und des Elektronenstrahlerzeugungssystems der Schweißmaschine im Sperrzustand ist. Dies ist notwendig, um die Elektronenröhre gegen einen Überschlag aufgrund einer zu hohen anliegenden Spannung zu schützen. Andererseits wird der Stromdurchgang durch die Diode bei Erniedrigung des Innenwiderstandes der Röhre gesperrt, so daß nur der Strahlstrom über den Röhrenzweig fließen und dort unverfälscht über den Spannungsabfall an einem ohmschen \riderstand gemessen werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß sich auf der Seite des Erdpotentials ein einstellbarer und/oder programmierbarer Sollwertgeber befindet, dessen das Sollwertsignal führender Ausgang entweder direkt oder über einen Spannungs-Frequenz-Wandler oder einen Analog-Digitalwanciler mit einem zweckmäßig als" Lichtemissionsdiode ausgebildeten Lichtsender verbunden ist, und daß ein Optokoppler zur Übertragung des vom Lichtsender emittierten, mit der Sollwertinformation modulierten Lichts zu einem auf der Seite des Hochspannungspotentials angeordneten, zweckmäßig als Fototransistor ausgebildeten Lichtempfänger vorgesehen ist, der entweder direkt oder über einen Frequenz-Spannungswandler oder, im Falle einer digitalen Datenübertragung, mit einem Digital-Analog-Wandlerunter Anlegen des Sollwertsignals mit dem betreffenden Eingang des Regelkomparators verbunden ist.

609827/0398 _ ₆ _

A 11 708 18.12.1974 - 6 - f -

Um eine ausreichende Isolation der Übertragungsstrecke zu gewährleisten, ist der den Optokoppler bildende Lichtleiter in einem isolierenden Öltank angeordnet, und besteht aus einem eine totalreflektierende Kunststoffschicht niedriger Brechzahl tragenden Stab aus einem Glas mit hoher Brechzahl. Ohne die erfindungsgemäße Kunststoffschicht ließe sich, wegen der gewöhnlich hohen Brechzahl des Isolationsöles, eine Totalreflexion an der Trennfläche und somit eine Lichtübertragung durch den Isolator nicht erreichen.

Das erfindungsgemäße Prinzip der trägheitslosen und kontinuierlichen Strahlstromsteuerung eröffnet eine Vielzahl neuer und vorteilhafter Anwendungsmöglichkeiten in der Elektronenstrahl-Schweißtechnik.

So ist es durch Verwendung entsprechender Funktionsgeneratoren im Bereich des Sollwertgebers erstmals möglich, bestimmte Ein- und Ausschaltkurven (Slope) mit einstellbarer Anstiegs- und Abfallzeit zu .erzeugen oder den Strahlstrom

— 7 —

609827/03

A 11 708 22.11.1974 - 7 - f - kt

mit beliebigen Funktionen auch hoher Frequenz und Amplitude durch entsprechende Steuerung des Strahlstrom-Sollwertes zu modulieren. Damit kann der Schmelz-» und Erstarrungsprozeß sowie die Dampfblasenbildung während des Schweißens in definierter Weise beeinflußt und das Schweißgefüge unter Vermeidung einer Lunkerbildung verbessert werden.

Entsprechend ist die Verwendung eines Pulsers im Bereich des Sollwertgebers möglich, womit der Strahlstrom-Sollwert und damit auch, über den Regler, der Strahlstrom als solcher gepulst ein- und ausgeschaltet oder gesteuert v/erden kann. Auf diese Weise wird u.a. ein rasches und automatisches Heften der zu schweißenden Werkstücke in bestimmten Abständen ermöglicht, was zweckmäßigerweise dort vor dem endgültigen Schweißen vorgenommen wird, wo die Gefahr einer Formänderung durch die beim kontinuierlichen Schweißen entstehende. Temperaturerhöhung besteht.

Anstelle der gepulsten Abschaltung des Elektronenstrahls ist auch eine kurzzeitige Umschaltung auf einen Strahl sehr kleiner Intensität möglich, die eine Voraussetzung für eine automatische Nahtfolge· unter Verwendung des Elektronenstrahls zur Abtastung des Nahtverlaufes ist. Auch diese Art der Umschaltung kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung über den Sollwertgeber erfolgen.

609827/0398

A 11 708 22.11.1974 - 8 - f'- kt

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht darin, daß der Strahlstrom nach Maßgabe des Durchdringungsstroms, also desjenigen Elektronenstromes gesteuert wird, der beim Schweißvorgang hinter dem Schweißgut aufgefangen wird. Vorteilhafterweise umfaßt der Sollwertgeber zu diesem Zweck einen auf den das Werkstück durchdringenden Anteil des Strahlstromes (Durchdringungsstrom) ansprechenden Regler zur Steuerung des Strahlstrom-Sollwerts. Diese Anwendung ist insbesondere bei der Schweißung von Werkstücken mit variabler Wandstärke von Interesse.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine sogenannte mitlaufende Überstromsicherung auf, die einen mit der Differenz zwischen Istwert- und Sollwertsignal beaufschlagten Schwellenwert schalter mit einstellbarem, gegebe-nenfalls strahlstromabhängigem Schwellenwert umfaßt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung schematisch dargestellt.

Das Elektronenstrahlerzeugungssystem 2 der Elektronenstrahl-Schweißmaschine ist nach Art einer Triode atifgebaut und besteht aus einer Elektronen emittierenden Kathode 4, einer Anode 6 und einer als Steuergitter dargestellten Wehneltelektrode 8. Die geerdete Anode 6 und die Wehneltelektrode 8 sind mit den Polen einer hochgespannten Gleichspannungsquelle IC

609827/0398 . - 9 -

A 11 708 22.11.1974 - 9 - ■ f - let

verbunden, während die Kathode 4 über den Abgriff einer zwischen den Polen der Gleichspannungsquelle angeordneten Spannungsteilerschaltung.12 mit Hochspannung beaufschlagt ist. Die Spannungsteilerschaltung umfaßt einen zur Strecke Kathode - Wehneltelektrode unmittelbar par^llelgeschalteten, eine steuerbare Leistungsröhre 14 enthalte.-.den Zweig sowie zwei über eine Diode 16 und einen Widersta.-.d 17 mit der Kathode 4 verbundene Zweige, von denen der eine die ohmschen Widerstände R^ und Rr enthält und mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 10 und über den Widerstand R,- mit der Anode 6 verbunden ist, und von.denen der c.r.dere Zweig den Widerstand R-j enthält und mit dem negativen. Pol der Gleichspannungsquelle und der Wehneltelektrode verbunden ist.

Der hauptsächliche Spannungsabfall in der Spannungsteilerschaltung tritt an dem hochohmigen Widerstand R^ auf, während der Widerstand R^ zur Spannungsmessung dient und sehr viel kleiner als der Widerstand R₄ ist. Der Widerstand R^ hat die Aufgabe, bei gesperrter Röhre 14 eine solche negative Potentialdifferenz zwischen Wehneltelektrode und Kathode auf zubauen, daß der Elektronendurc"· gang von der Kathode zur Anode gesperrt ist. Dies.ist toi einer Wehnelt-Spannung von. etwa -2 ky. der Fall. Geht man von einer Hochspannung von 150 kV aus und beschränkt die durch die Teilerwiderstände R^ und R₄ fließenden Ströme apf, ca. 4mA, so

- 10 -

6 0 9Ö27/0 3Ö8 ^:

A 11 708 22.11.1974 - 10 - f - kt

sind die Widerstände etwa wie folgt zu bemessen:

R₃ = 550 k-0-R₄ = 37,5

Solange die Röhre 14 gesperrt ist, sorgt die Diode 16 dafür, daß die Potentialdifferenz zwischen Kathode 141 und Anode 142 der Röhre 14 nicht über den sich am Widerstand R₃ einstellenden Spannungsabfall, also ca. 2 kV ansteigt, und zwar unabhängig davon, wie groß das Verhältnis der Innenwiderstände der Röhre und des Elektronenerzeugungssystems der Schweißmaschine im Sperrzustand ist.

Die Steuerung des Strahlstromes des Elektronenstrahlerzeugungssystems erfolgt durch entsprechendes Einstellen der Potentialdifferenz zwischen Wehneltelektrode und Kathode. Im vorliegenden Fall wird dies durch eine Veränderung des Innenv/i der stände s der Röhre über die angelegte Gitterspannung bewirkt. Sobald die Wehneltspannung unter den durch den Spannungsabfall über den Widerstand R₃ definierten Wert fällt, sperrt die Diode .16 den Stromdurchgang von dem Widerstand R4 zur Röhre 14, so daß nur der Strahlstrom durch die Röhre fließen kann. Damit ist der exakte Istwert des Strahlstromes über den Spannungsabfall an dem Kathodenwiderstand R„ der Röhre auf Hochspannungsniveau meßbar.

Das Istwertsignal wird dem einen Eingang 201 eines Regel-

809827/0398 - 11 -

A 11 708
22.11.1974

- Ii - f - kt

!comparators 20 zugeleitet, dessen zweiter Eingang 202 mit einem den Sollwert des Strahlstromes definierenden Signal beaufschlagt ist, und dessen Ausgang 203 mit dem Steuergitter 143 der Elektronenröhre 14 verbunden ist.

Das Sollwertsignal wird in einem im Bereich des Erdpotentials befindlichen Sollwertgeber 22 in Form eines Analogsignals mit variabler Spannung erzeugt, in einem Spannungs-Frequenz-Wandler 24 in ein frequenzmoduliertes Signal umgewandelt
und zur Steuerung einer Lichtemissionsdiode 26 verwendet. Das von der Lichtemissionsdiode emittierte, mit der Frequenzinformation modulierte Licht wird über eine isolierte Lichtleiter strecke 28 zu einem auf dem Hochspannungspotential
befindlichen Fototransistor 30 übertragen und dort in ein frequenzmoduliertes elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird einem Frequenz-Spannungswandler 32 zugeleitet, in welchem ein dem ursprünglich erzeugten Sollwertsignal entsprechendes Analogsignal erzeugt wird, mit dem der Eingang 202 des Regelkomparators 20 beaufschlagt wird. Der Lichtempfänger 30, der Frequenz-Spannungswandler 32, der
Regler 20 sowie das Meßr und Stellglied der Anordnung befinden sich in einein auf Hochspanr.ungspotential liegenden Gehäuse 34, während der Sollwertgeber 22 auf Erdpotential liegt, und somit für den Operateur auch während des Betriebs der Schweißmaschine ohne weiteres zugänglich ist.

- 12 -

609827/0398

22.11.1974 - 12 - f - kt

Grundsätzlich ist auch eine digitale Sollwertübertragung vom Erdpotential auf Hochspannungspotential möglich, wenn die Wandler 24 und 32 durch Analog-Digitalwandler bzw. Digital-Änalogwandler ersetzt und eine der Bit-Zahl entsprechende Anzahl Lichtübertragungsstrecken vorgesehen werden.

Um eine sogenannte mitlaufende ÜberStromsicherung der Anlage zu gewährleisten, wird an dem Widerstand R₆ der Istwert des Strahlstromes abgegriffen und über einen Widerstand R^ auf den einen Eingang 361 eines Reglers 36 gegeben, dem

außerdem über Widerstände R₀ und R_n das invertierte Sollwertes y

signal sowie ein an der Klemme 38 angelegtes Schwellenwertsignal zugeleitet wird. Übersteigt die Differenz zwischen Istwert und Sollwert den sich aufgrund der Widerstandsverhältnisse einstellenden, gegebenenfalls von der Strahlstromstärke abhängigen Schwellenwert, so schaltet der an seinem zweiten Eingang 362 geerdete Regler 36 durch, wodurch der in dem die Röhre 14 enthaltenden Zweig befindliche Sicherungsschalter 40 geöffnet und der Strahlstrom unterbrochen wird.

609827/0398

Claims

A 11 708 18.12.1974

Patentansprüche

Anordnung zur Steuerung des Strahlstromes einer triodenartig aufgebauten Elektronenstrahl-Schweißmaschine mit einer Spannungsteilerschaltung, deren mit den Polen einer Hochspannungsquelle verbundene Außenklemmen mit der Wehnelt-Elektrode und der auf Erdpotential liegenden Anode und deren Teilerabgriff mit der Kathode verbunden

sind, und deren zur Strecke Wehnelt-Elektrode - Kathode paralleler Teilerwiderstand über ein auf Erdpotential liegendes Steuerglied einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß der zur Strecke Wehnelt-Elektrode (8) - Kathode (4) parallele Teilerwiderstand durch eine Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand (Ro) und einer steuerbaren Elektronenröhre (14) gebildet, ist, und daß ein dem Strom in dem Röhrenzweig proportionaler Meßwert als Strahlstrom-Istwert an den einen Eingang (201) eines Regelkomparators (20) angelegt ist, dessen zweiter Eingang (202) mit einem an dem als Sollwertgeber (22) ausgebildeten Steuerglied einstellbaren Sollwertsignal beaufschlagt ist, und dessen Ausgang (203) mit der Steuerelektrode (143) der Elektronenröhre (14) verbunden ist. ·

60982 7/0398

A 11 708 18.12.1974 - f - let
2. Anordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet , daß der Strahlstrom-Istwert als Spannungsabfall über einen im Röhrenzweig_< vorzugsweise in der Kathodenzuleitung angeordneten ohmschen Widerstand (Rp) meßbar ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der die Elektronenröhre (14) enthaltende Zweig der Parallelschaltung unmittelbar und die die ohmschen Widerstände (R-,, R*, R₁-) enthaltenden Zweige der Teilerschaltung (12) mittelbar über eine beim Betrieb der Schweißmaschine den Stromdurchgang sperrende Diode (16) mit der Kathode (4) der Schweißmaschine verbunden sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch einen mit dem auf der Seite des Erdpotentials befindlichen einstellbaren und/oder programmierbaren Sollwertgeber (22) vorzugsweise über einen Spannungs-Frequenzwandler (24) oder Analog-Digitalwandler verbundenen Lichtsender (Lichtemissionsdiode 26), einen Optokoppler (28) zur Übertragung des vom Lichtsender emittierten, mit der Sollwertinformation modulierten Lichts zu einem auf der Seite des Hochspannungspotentials angeordneten Lichtempfänger (Fototransistor 30), der vorzugsweise über einen Frequenz-Spannungswandler (32) oder Digital-Analogwandler unter Anlegen des Sollwertsignals mit dem betreffenden Eingang (202) des Regelkomparators (20) verbunden ist.

609827/0398 - 3 -

A 11 708 18.12.1974 f - kt
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Optokoppler (28) als in einem isolierenden Öltank angeordneter, mit einer totalreflektierenden Kunststoff- oder Glasschicht ummantelter Glasstab ausgebildet ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet , daß der Sollwertgeber (22) einen Funktionsgenerator zur Erzeugung von Ein- und Ausschaltkurven mit einstellbarer Anstiegs- und Abfallzeit und/oder zur Modulation des Strahlstrom-Sollwertes umfaßt.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet , daß der Sollwertgeber (22) einen Pulser zur gepulsten Ein- und Ausschaltung oder Steuerung des Strahlstrom-Sollwertes umfaßt.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet , daß der Sollwertgeber (22) einen auf den das Werkstück durchdringenden Anteil des Strahlstromes (Durchdringungsstrom) ansprechenden Regler zur Steuerung des Strahlstrom-Sollwerts umfaßt.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8, gekennzeichnet durch einen mit der Differenz zwischendem Strahlstrom-Istwertsignal und dem Strahlstrom-Sollwertsignal beaufschlagten Schwellenwertschalter (36) mit ein-

609827/0398

A 11 708 18.12.1974 - fr - f - kt

stellbarem, gegebenenfalls strahlstromabhangigem Schwellenwert zur Sicherheitsabschaltung (Schalter 40) des Elektronenstrahlerzeugungssystems (2) der Schweißmaschine.

609827/0398