DE2460424C3 - Strahlstromsteuerung für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung des Strahlstromes einer triodenartig aufgebauten Elektronenstrahlquelle für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine mit einer Spannungsteilerschaltung, bei der die mit den Polen einer Hochspannungsquelle verbundenen Außenklemmen der Spannungsteilerschaltung mit der Wehnelt-Elektrode bzw. der auf Erdpotential liegenden Anode und der Teilerabgriff mit der Kathode verbunden sind, wobei der zur Strecke Wehnelt-Elektrode —Kathode parallele Teilerwiderstand über ein auf Erdpotentia! liegendes Steuerglied einstellbar ist.

Bei Elektronenstrahl-Schweißmaschinen dieser Art erfolgt die Strahlstromsteuerung durch entsprechende Einstellung des Potentialunterschieds zwischen Wehnelt-Elektrode und Kathode. Bei einer offenkundig vorbenutzten Maschine wird die Einstellung des Potentialunterschieds durch Änderung des Widerstandes einer in der Kathodenzuleitung des Flektronenstrahlerzeugungssystems angeordneten ohmschen Widerstandskette vorgenommen. 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 mechanischen 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 reprodu-

zierbar, da schon eine sehr kleine Verstellung des Einstellknopfes einen Stufensprung hervorrufen 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 dessen Trägheit steht auch einer Regelmöglichkeit des Strahlstromes entgegen. <;

Der Erfindung liegt daher die Aufgabt: zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingang.-, beschriebenen Art zu schaffen, die eine kontinuierliche und stabile Einstellung sowie eine trägheitslose Steuerung des Strahlstromes erlaubt. ₁₍,

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der zur Strecke Wehnelt-Elektrode - Kathode parailelgeschaltete Teilerwiderstand durch eine Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand und einer steuerbaren Elektronenröhre gebildet ist, und daß ein dem Strom in dem Röhrenzweig 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 Sollwcrtsignal beaufschlagt ist, und dessen Ausgang mit der Steuerelektrode der Elektronenröhre verbunden 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 Wehnelt-Spannung läßt sich durch Veränderung des Innenwiderstandes der Elektronenröhre über die an dem Steuergitter angelegte Spannung steuern. Der bei einer Erniedrigung der Wehnelt-Spannung einsetzende Strahlstrorn 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 ohmschen Widerstand der Parallelschaltung bestimmten Wert gehalten wird, und zwar 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 Widerstand gemessen werden kann.

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

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 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 werden 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.

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 Schwellenwertschalter mit einstellbarem, gegebenenfalls slrahlstromabhängigem Schwellenwert umfaßt.

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

Das Elektronenstrahlerzeugungssystem 2 der Elektronenstrahl-Schweißmaschine ist nach Art einer Triode aufgebaut und besteht aus einer Elektronen emittierenden Kathode 4, einer Anode 6 und einer als Steuergitter dargestellten Wehnelt-Elektrode 8. Die geerdete Anode 6 und die Wehneltelektrode 8 sind mit den Polen einer hochgespannten Gleichspannungsquelle 10ⁱ 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 parallel geschalteten, eine steuerbare Leistungsröhre 14 enthaltenden Zweig sowie zwei über eine Diode 16 und einen Widerstand 17 mit der Kathode 4 verbundene Zweige, von denen der eine die ohmschen Widerstände /?4 und /?5 enthält und mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 10 und über den Widerstand Re mit der Anode 6 verbunden ist, und von denen der andere Zweig den Widerstand R₃ enthält und mit dem negativen Pol der Gieichspannungsquelle und der Wehnelt-Elektrode verbunden ist.

Der hauptsächliche Spannungsabfall in der Spannungsteilerschaltung tritt an dem hochohmigen Widerstand Ra auf, während der Widerstand Rs zur Spannungsmessung dient und sehr viel kleiner als der Widerstand /?₄ ist. Der Widerstand R₃ hat die Aufgabe, bei gesperrter Röhre 14 eine solche negative Potentialdifferenz zwischen Wehneltelektrode und Kathode aufzubauen, daß der Elektronendurchgang von der Kathode zur Anode gesperrt ist. Dies ist bei einer Wehnelt-Spannung von etwa - 2 kV der Fall. Geht man von einer Hochspannung von 15OkV aus und beschränkt die durch die Teilerwiderstände R₃ und R* fließenden Ströme auf ca. 4 mA, so sind die Widerstände etwa wie folgt zu bemessen:

R₃ = 550 kn,
K₄ = 37,5 ΜΩ.

Solange die Röhre 14 gesperrt ist, sorgt die Diode dafür, daß die Potentialdifferenz zwischen Kathode 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 Wehnelt-Elektrode und Kathode. Im vorliegenden Fall wird dies durch eine Veränderung des Innenwiderstandes der Röhre über die angelegte Gitterspannung bewirkt. Sobald die Wehnelt-Spannung unter den durch den Spannungsabfall über den Widerstand R₃ definierten Wert fällt, sperrt die Diode 16 den Stromdurchgang von ίο dem Widerstand K₄ 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 R₂ der Röhre auf Hochspannungsniveau meßbar.

_IS Das Istwertsignal wird dem einen Eingang 201 eines Regelkomparators 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-Frequenzwandler 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 Lichtleiterstrecke 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 Meß- und Stellglied der Anordnung befinden sich in einem auf Hochspannungspotential 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.

Grundsätzlich ist auch eine digitale Sollwertübertragung vom Erdpotential auf Hochspannungspotential möglich, wenn die Wandler 24 und 32 durch Analog-Digital-Wandler bzw. Digital-Analog-Wandler ersetzt und eine der Bit-Zahl entsprechende Anzahl Lichtübertragungsstrecken vorgesehen werden. Um eine sogenannte mitlaufende Überstromsicherung der Anlage zu gewährleisten, wird an dem Widerstand Rb der Istwert des Strahlstromes abgegriffen und über einen Widerstand Ä7 auf den einen Eingang 361 eines Reglers 36 gegeben, dem außerdem über Widerstände R₈ und A₉ das invertierte Sollwertsignal 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 enthaltenden Zweig befindliche Sicherungsschaltcr geöffnet und der Strahlstrom unterbrochen wird. 65

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung des Strahlstromes einer triodenartig aufgebauten Elektronenstrahlquelle für eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine mit einer Spannungsteilerschaltung, bei der die mit den Polen einer Hochspannungsquelle verbundenen Außenklemmen der Spannungsteilerschaltung mit der Wehnelt-Elektrode bzw. der auf Erdpotential liegenden Anode und der Teilerabgriff mit der Kathode verbunden sind, wobei der zur Strecke Wehnelt-Elektrode-Kathode parallele Teilerwiderstand über ein auf Erdpotential liegendes Steuerglied einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Strecke Wennelt-Elektrode (8)- Kathode (4) parallelgeschaltete Teibrwiderstand durch eine Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand (Rj) 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.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlstrom-Istwert als Spannungsabfall über einen im Röhrenzweig, vorzugsweise in der Kathodenzuleitung angeordneten ohmschen Widerstand (Ri) meßbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Elektronenröhre (14) enthaltende Zweig der Parallelschaltung unmittelbar und die die ohmschen Widerstände (R₃, A₄, Rs) 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 auf der Seite des Erdpotentials befindlichen einstellbaren und/oder programmierbaren Sollwertgeber (22) und einen Optokoppler (28) zur Übertragung des von einem Lichtsender emittierten, mit der Sollwertinformation modulierten Lichts zu einem auf der Seite des Hochspannungspotentials angeordneten Lichtempfänger (Fototransistor 30).

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 Abfalizeit 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 Strahistrom-Soiiwertes umfaßt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1—7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber (22) einen auf den das Werkstück durchringenden 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 zwischen dem Strahlstrom-Istwertsignal und dem Strahlstrom-Sollwertsignal beaufschlagten Schwellenwertschalter (36) mit einstellbarem, gegebenenfalls strahlstromabhängigem Schwellenwert zur Sicherheitsabschaltung (Schalter 40) des Elektronenstrahlerzeugungssystems (2) der Schweißmaschine.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Übertragungsstrecke zwischen dem Sollwertgeber (22) und dem Optokoppler (28) ein Spannungs-Frequenzwandler (24) und zwischen Optokoppler und Regelkomparator (20) ein Frequenz-Spannungswandler (32) angeordnet ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche A bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Übertragungsstrecke zwischen dem Sollwertgeber (22) und dem Optokoppler (28) ein Analog-Digital-Wandler (24) und zwischen Optokoppler und Regelkomparator (32) ein Analog-Digital- Wandler (32) angeordnet ist.