DE2937646C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Nachführen des Elektronenstrahles beim Elektronenstrahlschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahre;? nach dem Ober-

begriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beim Elektronenstrahlschweißen ist es bekannt, in Pausenintervallen während der Schweißung mit Hilfe des Elektronenstrahles eine Fugenerkennung durchzu führen (DE-AS 16 15 507). Beim Auftreffen des Elektro nenstrahles auf die Werkstückoberfläche werden Elektronen reflektiert Diese rückgestreuten Elektronen werden durch eine Auffangplatte, die isoliert in der Vakuumkammer oberhalb der Werkstücke angebracht

so :st, erfaßt und über einen Widerstand abgeleitet, an dem der Rückstreustrom gemessen werden kana Infolge der zeilenweisen Abtastung der Stoßfuge und ihrer Umgebung durch den Elektronenstrahl ist es möglich, das Bild des Abtastbereiches auf einem Fernsehschirm wiederzugeben, dessen Ablenksystem während der Abtastphase mit dem Ablenksystem des Elektronenstrahles der Schweißeinrichtung synchronisiert ist

Da das Rückstreuverhaiten im Bereich der Stoßfuge sich von dem Rückstreuverhalten der ebenen Werk stückflächen unterscheidet, kann anhand des zeitlichen Verlaufs des Rückstreustromes festgestellt werden, wann der Elektronenstrahl die Stoßfuge jeweils überquert Bei dem bekannten Verfahren werden Fugenabtastung und Schweißvorgang zeitlich voneinan der getrennt Während der Fugenabtastung findet außerdem eine Verringerung der Elektronenstrahlleistung gegenüber der Schweißphase statt. Die Position der Schweißfuge in Bezug auf die Mittelachse des

Abtastfeldes wird festgestellt, indem die Zeit gemessen wird, die der Elektronenstrahl, ausgehend von der Mittelachse, benötigt, um die Stoßfuge zu erreichen. Wird die Stoßfuge nicht erkannt, dann wird die Zeitmessung bis zum Erreichen der maximalen Strahl- s auslenkung fortgesetzt, was zu Fehlerkennungen bzw. nicht deutbaren Messungen führen kann. Eine hinreichend sichere Erkennung der Schweißfuge ist bei dem bekannten Verfahren auch insbesondere deshalb nicht gewährleistet, weil der Abstand der Schweißfuge von der Längsachse des Abtastfeldes in unmittelbarer Nähe der Schweißstelle gemessen wird. Hier kann die Schweißfuge durch herumfliegende Partikel bedeckt werden. Schließlich ist die Regelung bei dem bekannten Verfahren ungenau, weil der Verlauf der Schweißfuge nicht im voraus gemessen wird, sondern eine Korrektur immer erst dann erfolgt, wenn eine Abweichung der Schweißnaht von der Stoßfuge aufgetreten ist

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (DE-OS 22 20 335) wird der Elektronenstrahl entlang einer Kreisbahn geführt, während das Werkstück relativ zu der Kreisbahn bewegt wird. Bei jeder Oberquerung der Stoßfuge wird ein Impuls erzeugt Die Impulse werden zur Triggerung eines Flip-Flops benutzt, wobei jeder ungeradzahlige Impuls das Flip-Flop setzt und jeder geradzahlige Impuls das Flip-Flop rücksetzt Dadurch entsteht am Ausgang des Flip-Flops eine Folge aus gleichlangen Impulsen und Impulslücken, wenn die Stoßfuge genau mittig durch die Kreisbahn des Elektronenstrahls hindurchgeht Geht die Stoßfuge nicht durch die Mitte der Kreisbahn hindurch, entsteht ein Impulsverlauf mit ungleichem Tastverhältnis. Eine Mittelwertbildung über mehrere Zyklen erfolgt dadurch, daß das Integral über die abwechselnd positiven und negativen Impulse gebildet wird. Dieses Integral bildet das PositionssignaL Es ist Null, wenn die Stoßfuge mittig durch die Kreisbahn hindurchgeht Durch die zeitliche Zuordnung von mindestens zwei Impulsen erhält man einen Meßwert für die Fugenposition. Da aus insgesamt zwei Impulsen jeweils ein Meßwert gebildet wird, ist dieses Verfahren besonders störanfällig. Der Meßwert wird nämlich bereits erheblich verfälscht wenn von den insgesamt zwei Impulsen, die zy seiner Erzielung notwendig sind, auch nur einer ausbleibt oder wenn durch eine Fehlstelle am Werkstück ein zusätzli- _4J eher Impuls erzeugt wird. Daher beeinflußt jeder der Impulse die Position des nachzufahrenden Schweißstrahls erneblich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das die Bestimmung des Verlaufs der Stoßfuge auch bei Auftreten von Störungen mit Sicherheit und großer Genauigkeit gewährleistet

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Nach der Erfindung werden bei jedem Abtastzyklus mehrere Meßwerte in Richtung der Stoßfuge hintereinander ermittelt, um so etwaige Abweichungen der Stoßfuge von der I^ängsachse des Abtastfeldes festzustellen und durch eine selbsttätige Strahlnachführung ausregeln zu können. Wenn die Stoßfuge an einzelnen querverlaufenden Abtastlinien nicht erkannt wird, weil sie z. B. mit Ablagerungen überdeckt oder zu schmal ist, dann spielt dies für die Auswertung keine Rolle, da an den übrigen Abtastiinien Meßergebnisse gewonnen werden und anschließend eine Mittelwertbildung erfolgt, bei der nur die Ergebnisse an solchen Abtastlinien ausgewertet werden, an denen die Stoßfuge erkannt . worden ist

Die Auswertung mehrerer Meßergebnisse durch Mittelwertbildung hat weiterhin den Vorteil, daß der Verlauf der Stoßfuge nicht nur an einem Punkt ermittelt wird, sondern innerhalb des gesamten Abtastfeldes, also über eine gewisse Fugenlänge hinweg. Kleine Störstellen in der Nähe der Stoßfuge haben also keine schwerwiegenden Auswirkungen auf das gemittelte Meßergebnis und insbesondere auch nicht auf die in Abhängigkeit von dem Meßergebnis erfolgende Strablnachführung.

Damit in das gemittelte Meßergebnis nur solche Werte eingehen, an denen die Position der Stoßfuge innerhalb des Meßbereichs tatsächlich erkannt worden ist, ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß zur Messung der Position der Stoßfuge jeweils die Zeit zwischen einem durch die Stoßfuge erzeugten Fugenimpuls und dem nächstfolgenden Nulldurchgang der Steuerspannung des Ablenksystems ermittelt wird. Der Fugenimpuls setzt Xv. Zeitmessung in Gang, während der nächstfolgende Nuiidurchgang sie beendet Im umgekehrten Fall würde die Zeitmessung durch einen Extremwert der Steuerspannung des Ablenksystems beginnen. Würde anschließend kein Fugenimpuls erzeugt werden, dann würde die Zeitmessung bis zum nächsten Extremwert der Steuerspannung des Ablenksystems fortgesetzt werden. Dies könnte zur Folge haben, daß die Maschine abgeschaltet werden muß, weil der Eindruck entsteht daß die Stoßfuge djs Abtastfeld verlassen hat

Gemäß der Erfindung erfolgt die Ermittlung der Position der Stoßfuge ausschließlich in denjenigen Zeitintervallen, in denen sich der Elektronenstrahl, ausgehend von einem Punkt extremer Auslenkung, in Richtung auf die Mittellinie des Abtastfeldes bewegt In diesem Fall wird die Zeitspanne vom Auftreten des Fugcnirnpuises bis zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Spannung des Ablenksystems gemessen.

Eine Ermittlung der Position der Stoßfuge in der Nähe der Schweißstelle hat einerseits den Nachteil, daß das zu schweißende Material an dieser Stelle stark erhitzt und beunruhigt ist, so daß Meßfehler auftreten können, und zum anderen den Nachteil, daß Abweichungen der Elektronenstrahlposition von der Stoßfuge erst festgestellt werden, wenn sie bereits aufgetreten sind, die Schweißnaht sich also von der Stoßfuge abgesetzt hat Zur Vermeidung dieser Nachteile ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß der Elektronenstrahl zu Beginn eines Abtastzyklus in einem Sprung in Richtung der noch offenen Stoßfuge von der Schweißstelle fortbewegt und erst danach quer über die Stoßfuge geführt wird Die Messung erfolgt eine gewisse Sirecke vor der Schweißstelle, so daß der Verlauf der Stoßfuge im voraus ermittelt wird. Dies ermöglicht eine exakt«: Nachregelung, wodurch erreicht wird, daß der Elektronenstrahl sich beim Schweißen exakt entlang der Stoßfuge bewegt Durch die sprungweise Fortbewegung des Elektronenstrahles von der Schweißstelle vor dem Beginn der Meßphase und durch eine hohe Ablenkgeschwindigkeit des Strahles im Abtastfeld wird erreicht, daß die gesamte Abtastung bei voller Energie des Elektronenstrahles durchgeführt werden kann, da dann keine schädliche Beeinflussung (Anschmelzen, Umwandlungen des Gefüges) der Werkstückoberflächen auftreten. Die erforderliche Reduzierung der Elektronenstrahlleistung während der Meßphase hat bei dem bekannten Verfahren den Nachteil,

daß die Elektronenstrahlquelle starken Stoßbelastungen ausgesetzt wird, und durch die dabei auftretenden Hochspannungsänderungen eine Verschiebung der Strahlfokuslage erfolgt

Infolge der durch die Stoßbelastungen entstehenden s Strahlleistungsschwankungen ist eine erhebliche Störung des Schweißablaufes und eine Verminderung der Schweißnahtqualität kaum zu vermeiden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Elektronenstrahlquelle, einem elektromagnetischen Ablenksystem, einer an eine Impulserzeugerschaltung angeschlossenen Auffangplatte für die von den zu verschweißenden Teilen reflektierten Elektronen und einer Steuereinrichtung für das Ablenksystem ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einen von einem Taktgenerator gespeisten ersten Zähler enthält, dem immer dann eine Zählimpulsfolge zugeführt wird, wenn an der Impulserzeugsrschsiiung ein dss Übsrstrcichsr: der Stoßfuge anzeigender Impuls auftritt, daß die Impulserzeugerschaltung an einen zweiten Zähler angeschlossen ist, der die Anzahl der auftretenden Fugenimpulse zählt, und daß eine Divisionsschaltung vorgesehen ist, die den Zählerstand des ersten Zählen durch den Zählerstand des zweiten Zählers teilt

Hierbei erfolgt die Zeitmessung durch Zählen der in dem zu messenden Zeitintervall von der Impulserzeugerschaltung abgegebenen Impulse, die eine feste Impulsfolgefrequenz haben. Um von der gemessenen Zeit auf den entsprechenden Abstand der Stoßfuge von der Mittelachse des Abtastfeldes schließen zu können, wird der Elektronenstrahl zweckmäßigerweise gemäß einer Zickzackbewegung mit linear ansteigenden und linear abfallenden Flanken geführt

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der die Querbewegung des Elektronenstrahles steuernde Y- Ablenkgenerator an eine Extremwert-Erkennungsschaltung und eine Nulldurchgangs-Erkennungsschaltung angeschlossen ist, die die Impulsversorgung des ersten Zählers derart steuern, daß dem ersten Zähler Zählimpulse nur in denjenigen Phasen der V-Ablenkspannung zugeführt werden können, in denen die K-Ablenkspannung sich von einem Extremwert aus dem Nullwert nähert Eine derartige Schaltung kann beispielsweise mit Kippstufen leicht realisiert werden. Sie stellt sicher, daß die Zeitmessung durch den Fugenimpuls gestartet und beim Nulldurchgang beendet wird, so daß die Zeitmessung überhaupt nur beim Auftreten eines Fugenimpulses erfolgen kann.

Um Abweichungen des Fugenverlaufs von der Mittelachse des Abi^-stfeldes vorzeichenrichtig erkennen zu können, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß der erste Zähler ein Vorwärts/Rückwärtszähler ist der von der Extremwert-Erkennungsschaltung derart gesteuert ist, daß er während der ansteigenden Flanken der V-Ablenkspannung in der einen Richtung und während der abfallenden Flanken in der anderen Richtung zählt Liegen in unmittelbarer Nähe von der Mittelachse des Abtastfeldes Abweichungen mit positiven und negativen Vorzeichen hintereinander vor, dann kompensieren diese sich gegenseitig.

Wenn das Abtastfeld gegenüber der Schweißstelle entlang der Stoßnaht vorverlegt ist, müssen die Positionswerte der Stoßfuge in einem Laufzeitspeicher abgespeichert werden, damit sie erst dann wirksam werden, wenn die Schweißstelle die Meßstelie erreicht hat Zu diesem Zweck einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der Ausgang der Divisionsschaltung mit einem bei jedem Abtastzyklus getakteten Laufzeitspeicher verbunden sein. Der Laufzeitspeicher wird bei jedem Abtastzyklus um eine Stelle weitergeschaltet. Aus dem Laufzeitspeicher wird der entsprechende Positionswert der Stoßfuge immer dann ausgegeben, wenn die Schweißnaht die betreffende Stelle erreicht hat

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine quasi-kontinuierliche Regelung. Die Abtastfelder können sich nämlich gegenseitig überlappen, so daß die gesamte Stoßfuge durchgehend von dem abtastenden Elektronenstrahl erfaßt wird.

Zweckmäßigerweise ist die effektive Länge des Laufzeitspeichers entsprechend der Schweißgeschwindigkeit des Elektronenstrahles einstellbar. Dies kann dadurch geschehen, daß einzelne Stellen des Laufzeitspeichers überbrückt werden.

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Laufzeitspeicher mit geringem Speicherumfang, während bei niedriger Schweißgeschwindigkeit ein Laufzeitspeicher mit vielen Speicherstellen benötigt wird, um die Meßwerte, die sich auf den Bereich zwischen dem augenblicklichen Abtastfeld und der Schweißstelle beziehen, festhalten zu können. Reicht die Länge des Laufzeitspeichers bei niedrigen Schweißgeschwindigkeiten nicht aus, besteht die Möglichkeit, mit Änderungen der / itastwiederholrate eine Anpassung an die Schweißgeschwindigkeit durchzuführen.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren zwei Ausführungsbeispiele άζτ Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Stoßfugenabtastung mit dem Elektronenstrahl,

Fig.2 Spannungsdiagramme zur Erläuterung der Erzeugung des Fugenimpulse«.,

Fig.3 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Regelung der Schweißstrahlposition in Abhängigkeit vom Verlauf der Stoßfuge,

Fig.4 und 5 verschiedene Spannungsverläufe der Schaltung nach F i g. 3 und

F i g. 6 eine Variante eines Teiles des Blockschaltbildes der F i g. 3, wobei lediglich die relativen Änderungen der nacheinander ermittelten Meßwerte ausgewertet werden.

Gemäß Fig. 1 sollen zwei Werkstücke 10, 11 die entlang einer Stoßfuge 12 gegeneinanderstoßen, durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden werden. Zu diesem Zweck wird ein stark gebündelter Elektronenstrahl 13 auf die Stoßfuge 12 geleitet, während die Werkstücke 10, 11 kontinuierlich entlang der durch den Pfeil 14 angedeuteten Hauptrichtung der Stoßfuge 12 bewegt werden.

Zur Beeinflussung der Richtung des Elektronenstrahls 13 ist ein Ablenksystem 15 mit zwei X- Ablenkspulen 16 und zwei V-Ablenkspulen 17 vorgesehen. Die V-Ablenkspulen bewirken Auslenkung des Elektronenstrahles 13 quer zur Stoßfuge 12, während die A"-Ablenkspulen 16 bei entsprechender elektrischer Ansteuerung Ablenkungen des Elektronenstrahles 13 parallel zu der durch den Pfeil 14 gekennzeichneten Hauptrichtung der Stoßfuge bewirken.

Der Elektronenstrahl 13 geht durch die öffnung einer metallischen Auffangplatte 16 hindurch, die im Abstand über den Werkstücken 10, 11 parallel zur Werkstückoberfläche, angeordnet und über einen Widerstand 17 mit Erdpotential verbunden ist

Der Elektronenstrahl 13 wird zur Erzeugung der

Schweißnaht 18 entlang der Stoßfuge 12 benutzt. Zwischen den Schweißvorgängen finden Abtastvorgänge statt Hierbei wird der Elektronenstrahl 13 spurenartig in X-Rhhtung ein Stück weiterbewegt, um anschließend in einem Abtastfeld 19 Pendelungen um die Stoßfuge 12 herum auszuführen. Danach kehrt der Elektronenstrahl 13 wieder an die Schweißstelle zurück und set7'> die Herstellung der Schweißnaht fort.

Trifft dor Elektronenstrahl während der Meßphase auf die glatte Werkstückoberfläche auf, dann werden von dieser Elektronen reflektiert. Diese reflektierten Elektronen werden anschließend von der Auffangplatte 16 aufgefangen und über den Widerstand 17 nach Erde abgeleitet Am Widerstand 17 entsteht also ein konstanter Spannungsabfall. Im Bereich der Stoßfuge 12 ist die Streuung der Elektronen naturgemäß stärker als an den glatten Bereichen der Werkstückoberfläche. Daher werden, wenn der Elektronenstrahl auf die Stoßfuge !2 trifft, weniger Elektronen auf die Auffangplatte 16 geleitet. Der Strom durch den Widerstand 17 verringert sich und demgemäß auch der Spannungsabfall an diesem Widerstand.

Der entsprechende Kurvenverlauf für die Spannung Uu am Widerstand 17 ist in F i g. 2 dargestellt Während des Schweißvorganges entsteht zunächst ein Rauschsignal 20. Verläßt in Folge der Auslenkung während der nachfolgenden Meßphase der Elektronenstrahl 13 den Aufschmelzbereich, dann entsteht ein höherer Spannungspegel 21, der während der Querbewegung des Elektronenstrahles beibehalten wird. Trifft der Elektronenstr hl auf die Stoßfuge 12, dann erhält die Spannung 21 einen Einbruch 22. Anschließend steigt die Spannung Uv wieder an, bis die Meßphase beendet wird und während der Schweißphase wieder das regellose Signal 20 auftritt

Durch entsprechende Verarbeitung kann der Spannungsbereich 22 in einen normierten Fugenimpuls 23 umgesetzt werden, wie er in F i g. 2 in dem Diagramm als Uf dargestellt ist Der Fugenimpuls 23 tritt also in dem Zeitpunkt auf, in dem der Elektronenstrahl 13 sich auf der Fuge 12 befindet

Im folgenden werden nun unter Bezugnahme auf die F i g. 3, 4 und 5 die Auswertung des Fugenimpulses und die Regelung des Ablenksystems zur Strahlnachführung beschrieben.

Ein Taktgenerator 30 erzeugt Impulse mit einer variierbaren Folgefrequenz zwischen 1 und 100 Hz, die jeweils den Beginn eines Abtastzyklus angeben. Der zeitliche Verlauf eines solchen Impulses ist in F i g. 4 mit b bezeichnet

In Fig.3 sind diejenigen Stellen, an denen die Spannungsverläufe b, c und d der F i g. 4 auftreten, mit denselben Buchstaben bezeichnet

Auf den Impuls b des Taktgenerators 30 hin erzeugt der .^-Ablenkgenerator 31 den Spannungsverlauf c Dieser weist einen Spannungssprung 32 und einen anschließenden linearen Anstieg 33 auf. Bei Beendigung des Abtastzyklus fällt die X-Ablenkspannung in einer stellen Flanke 34 wieder auf Null ab.

Der V-Ablenkgenerator 39 erzeugt au/ den Impuls b ω hin eine abwechselnd linear ansteigende und linear abfallende Spannung d, die symmetrisch zur Null-Linie verläuft, also abwechselnd positiv und negativ ist Von dieser Spannung werden beispielsweise vier Perioden erzeugt, d. h. vier positive und vier negative Spitzenwerte. Mit der abfallenden Flanke 34 der Spannung c geht auch die Spannung ti auf Null zurück.

Durch die gleichzeitige Wirkung der ΛΓ-Ablenkspan-

20

25

30

35

45

50

55 nung und der V- Ablenkspannung entsteht die In F i g. 4 dargestellte Abtastkurve 40. Von der Schweißstelle 41, die das derzeitige Ende der Schweißnaht 18 markiert, macht der Elektronenstrahl während der Meßphase einen Sprung 42 nach vorn und von dort aus wird das Abtastfeld mit dem Strahlenweg 40 bestrichen. Die Achsrichtung des Abtastfeldes weicht bei dem in F i g. 4 dargestellten Fall von dem Verlauf der Stoßfuge 12 ab. Im Anschluß an die Abtastbewegung kehrt der Elektronenstrahl wieder zu der Schweißstelle 41 zurück und setzt von hier aus seinen Weg mit korrigierter Richtung fort.

Die Ausgangsspannung t/des V-Ablenkgenerators 39 wird einem Nulldurchgangsdetektor 43, einem Detektor 44 für den unteren Spitzenwert und einem Detektor 45 für den oberen Spitzenwert zugeführt. Die Spitzenwertdetektoren 44 und 45 sind an eine Kippschaltung 46 angeschlossen, deren Zustand sich bei jedem Spitzenwert ändert. Die Kippschaltung 46 erzeugt den in F i g. 5 dargestellten Spannungsveriauf f, der während der ansteigenden Flanke der V-Ablenkspannung d »0« und während der abfallenden Flanke der V-Ablenkschaltung d »1« ist. Das Signal f wird zusammen mit dem Ausgangssignal des Nulldurchgangsdetektors 43 einer weiteren Kippstufe 47 zugeführt, die das ebenfalls in F i g. 5 dargestellte Signal g erzeugt Das Signal g ist jeweils dann »1«, wenn das Y-Ablenksignal sich — ausgehend von einem Extremwert (Maximum oder Minimum) — der Nullinie nähert. Überschreitet die V- Ablenkspannung c/die Nullinie, dann wird das Signal

Der Fugenimpuls h wird dem einen Eingang einer Start/Stopp-Stufe 48 zugeführt, an deren anderem Eingang das Signal g der Kippstufe 47 liegt. Die Start/Stopp-Stufe 48 kippt in den »1 «-Zustand, wenn das Signal g »1« ist und der Fugenimpuls h auftritt Sie kippt in den »0«-Zustand zurück, sobald das Signal #»0« wird. Dies bedeutet, daß die Start/Stopp-Stufe 48 nur während derjenigen Flanken der V-Ablenkspannung d ein Ausgangssignal i erzeugen kann, die in F i g. 5 dick dargestellt sind.

Das Signal i, das jeweils vom Auftreten eines Fugenimpulses während einer Rückflanke der V-Ablenkspannung bis zum Null-Durchgang dauert, steuert einen Taktgenerator 49, der an einen Aufwärts/Abwärts-Zähler 50 nur dann Impulse abgibt wenn das Signal / »1« ist Je länger das Signal / »1« ist, um so größer ist die Zahl der in den Zähler 50 eingegebenen Impulse. Die Steuerung des Aufwärts- und Abwärts-Zählens durch den Zähler 50 erfolgt durch das Signal f, das dem Aufwärts-Steuereingang 51 direkt und dem Abvärts-Steuereingang 52 über einen Inverter zugeführt wird. Der Zähler 50 zählt daher die von dem Impulsgenerator 49 gelieferten Impulse, während der negative Flanken des V-Ablenksignals aufwärts und während der positiven Flanken abwärts. Der Ausgang des Zählers 52 ist an eine Divisionsschaltung 53 angeschlossen.

Die während eines Meßzyklus auftretenden Fugenimpulse 23 werden von einem Zähler 51 gezählt Der Zählerstand des Zählers 51 wird der Divisionsschaltung 53 als Divisor zugeführt Während der Zähler 50 die Abweichungen, die während eines Meßzyklus zwischen den vier nacheinander folgenden Abtastvorgängen festgestellt werden, addiert bzw. akkumuliert, teilt die Divisionsschaltung 53 das Ergebnis durch die Anzahl der ausgewerteten Fugenimpulse 23. Auf diese Weise entsteht eine Mittelwertbildung bzw. eine mittlere

Abweichung der Fugenposition von der Längsachse des Abtastfeldes. Dieser Wert wird in den Laufzeitspeicher 54 eingegeben. Der Laufzeitspeicher 54 hat die Funktion eines Schieberregisters mit mehreren hintereinander geschalteten Schieberregisterstellen. Durch das Ausgangssignal b werden nur der X- und Y- Ablenkgenerator gestartet

Ein zweites Signal s des Y-Ablenkgenerators, das das Ende des Abtastzyklus anzeigt, stellt das Schiebesignal bzw. Übernahmesignal für die Schieberregister dar. Gleichzeitig wird die erste Speicherstelle zur Aufnahme des nächstfolgenden Abtastergebnisses freigemacht. Die Anzahl der effektiven Schiebestellen kann durch einen Schalter 55 verändert werden, der diejenige Schiebestelle bestimmt, an der die Inhalte nacheinander ι s aus dem Laufzeitspeicher 54 herausgeschoben werden. Durch Verstellen des Schalters 55 kann also die Speicherkapazität des Laufzeitspeichers 54 verändert werden. Der Schalter 55 ist mit einem Digital/Analog-Umsetzer 56 verbunden, der den ausgegebenen digitalen Abweichungswert in eine Analogspannung umsetzt. Dem Digital/Analog-Umsetzer ist ein Tiefpaß

57 nachgeschaltet, der das stufenförmige Ausgangssignal des Digital/Analog-Umsetzers glättet Das Ausgangssignal des Tiefpasses 57 wird über einen Schalter

58 einem Addierer 59 zugeführt Über den Addierer 59 wird das Abweichungssignal an den ^-Ablenkgenerator 39 geliefert Dem Addierer 59 wird ferner das Signal einer Nullkorrekturvorrichtung 60 zugeführt Das Ausgangssignal c des A"-Ablenkgenerators 31 gelangt über den A"-Verstärker 62 zum Ablenksystem 15.

Der Schalter 58 wird von dem Signal b des Taktgenerators 30 geschaltet Er dient dazu, während der Meßphase das über den Tiefpaß 57 kommende Korrektursignal abzuschalten, so daß das Ablenksystem 15 nur mit den von den Ablenkgeneratoren 31 und 39 erzeugten Spannungen gesteuert wird.

in F i g. 5 ist zusätzlich zu der r-Abienkspannung ein Fugenverlauf 70 eingezeichnet, bei dem die Stoßfuge oberhalb der Nullinie, also im positiven Bereich der V-Ablenkspannung, liegt Zusätzlich ist strichpunktiert der Fall angedeutet, daß eine Stoßfuge 71 im negativen Bereich der V-Ablenkspannung liegt In den darunter dargestellten Spannungsverläufen ist angenommen, daß die Stoßfuge den mit 71 bezeichneten Verlauf, bezogen auf das Abtastfeld 19, hat

Bei der Einrichtung gemäß Fig.3 arbeitet das Nachführsystem mit einer festen Position für die Nullinie des Abtastfeldes 19. Dies liegt daran, daß der Laufzeitspeicher 54 stets die Absolutwerte der Fugenposition, bezogen auf die fest eingestellte Position der Nullinie (X-Achst) zur Weiterverarbeitung durch die Y-Ablenkvorrichtung ausgibt

Man kann erreichen, daß das Abtastfeld 19 sich mit zunehmender Abweichung des Fugenverlaufs von der festeingestellten A*-Achse selbsttätig mitverschiebt, so daß es der Stoßfuge automatisch folgt Dies geschieht, indem die in F i g. 6 dargestellte Schaltung 65' anstelle der Schaltung 65 in Fig.3 verwendet wird Bei der Schaltung 65' werden die Ausgangswerte der Divisionsschaltung 53 (Fig.3) einem Addierer 75 zugeführt, dessen Ausgang mit der ersten Stufe 761 eines Laufzeitspeichers 76 verbunden ist Der Laufzeitspeicher 76 weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier Stufen 761,762,763,764 auf, die hintereinandergeschauet sind und beim Auftreten eines Taktimpuises s vom ^-Ablenkgenerator 39 den Inhalt einer Stufe jeweils in die nächste Stufe weiterschieben. Im Laufzeitspeicher wird immer die Summe der ermittelten Meßwerte aus der vorhergehenden und der letzten Messung gespeichert und weitergeschoben, d. h. der Laufzeitspeicher enthält die Meßwerte, bezogen auf diejenige Nullage, die der Elektronenstrahl bei Ausschaltung des Ablenksystems einnehmen würde. Am Ausgang der Divisionsschaltung 53 bzw. am ersten Eingang des Addierers 75 steht immer die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßwerten, da der jeweils vorletzte absolute Meßwert (der Inhalt der ersten Speicherstelle) während des laufenden Meßzyklus am Spulensystem anliegt bzw. zum Ausgangssignal des V-Ablenkgenerators addiert wird.

Um den Absolutwert von der Nullage zu erhalten und in den Speicher 76 einlesen zu können, muß der gemessene Differenzwert zum vorletzten Wert addiert werden. Die so gebildeten Summen werden nachfolgend nacheinander unter Taktung durch das Signal s durch den Laufzeitspeicher 76 hindurchgeschoben und anschließend in einem Digital/Analogwandler 78 in Analogsignale umgesetzt Der Ausgang des Digital/ Analogwandlers 78 ist über einen Analogschalter 79 mit dem Y-Verstärker 61 verbunden.

Während des Schweißens stellt also der Anaiogschalter 79 an dem K-Verstärker denjenigen Wert ein, der einige Zeit zuvor für die Abweichung der Stoßfuge ermittelt worden ist

Die Nullinie des Abtastfeldes muß bei diesem Ausführungsbeispiel nicht mit der absoluten Nullinie übereinstimmen, sondern ist um den Betrag des vorletzten gewonnenen Meßwertes in Bezug auf die absolute Nullinie auf einen neuen relativen Ausgangspunkt für die Messung verschoben.

Die Ausgangssignale der ersten Stufe 761 des Laufzeitspeichers 76 werden einem weiteren Digital/ Analog-Umsetzer 80 zugeführt Die analoge Ausgangsspannung des Digital/Analog-Umsetzers 80 wird an einer Additionssteiie ei zu der Ausgangsspannung des Y- Ablenkgenerators 39 hinzuaddiert und das Additionsergebnis wird dem zweiten Eingang des Analogschalters 79 zugeführt Der Analogschalter 79 schaltet während der Schweißphase das Ausgangssignal des Digital/Analogwandlers 78 an den V-Verstärker an und während der Meßphase das Summensignal aus der Spannung des Digital/Analogwandlers 80 und des y-Ablenkgenerators 39. Auf diese Weise werden Meßvorgang und Schweißvorgang voneinander getrennt

Das Korrektursignal für die Strahlnachführung kann neben dem beschriebenen Einsatz zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Ablenksystems auch für eine Werktischkorrekturbewegung genutzt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Nachführen des Elektronenstrahls entlang der Stoßfuge zweier zu verschwel-Bender Teile beim Elektronenstrahlschweißen, bei welchem der Elektronenstrahl unter Steuerung durch ein Ablenksystem in jedem von mehreren aufeinanderfolgenden Abtastzyklen mehrfach quer über die Stoßfuge geführt wird und bei welchem während der Querbewegung durch Auffangen von von den Teilen reflektierten Elektronen Fugenimpulse erzeugt werden, die der Position der Stoßfuge an unterschiedlichen Stellen entsprechen und bei deren Verarbeitung in jedem Abtastzyklus ein Positionssignal erzeugt wird, das zwischengespeichert wird und den weiteren Betrieb der Ablenkeinheit steuert, wobei innerhalb jedes Abtastzyklus aus den Fugenimpulsen mehrere Meßwerte gewonnen werden und eine Mittelwertbildung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastzyklen durch Pausen zeitlich getrennt werden, daß der Elektronenstrahl in jedem Abtastzyklus in Zickzackbewegungen über die Stoßfuge geführt wird, daß zur Messung der Position der Stoßfuge jeweils die Zeit zwischen einem durch die Stoßfuge erzeugten Fugenimpuls und dem nächstfolgenden Nulldurchgang der Steuerspannung des Ablenksystems ermittelt wird, daß die Ermittlung der Position der Stoßfuge ausschließlich in denjenigen Zeitintervallen erfolgt, in rinnen sich der Elektronenstrahl, ausgehend von einem Punkt extremer Auslenkung, in Richtung auf die Mitteliinie de. Elektronenstrahlablenkung bewegt und OaB im Anschluß an die Messungen eines Abtastzyklus cks Positionssignal durch Mittelwertbildung zwischen den Meßwerten dieses Abtastzyklus gewonnen wird, indem die Summe der bei dem Abtastzyklus gewonnenen Meßwerte durch die Anzahl der während dieser Meßzyklen erzeugten Fugenimpulse geteilt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl zu Beginn eines Abtastzyklus in einem Sprung in Richtung der noch offenen Stoßfuge von der Schweißstelle fortbewegt und erst danach quer über die Stoßfuge geführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelwerte der Messungen mehrerer Abtastzyklen in einen Schiebespeicher eingegeben werden, dessen Inhalte in jedem Abtastzyklus um eine Stelle weitergeschaltet werdea

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Elektronenstrahiquelie, einem elektromagnetischen Ablenksystem, einer an eine Impulserzeugerschaltung angeschlossenen Auffangplatte für von den zu verschweißenden Teilen reflektierte Elektronen und mit einer Steuereinrichtung für das Ablenksystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen von einem Taktgenerator (49) gespeisten ersten Zähler (SO) enthält, dem immer dann eine Zählimpulsfolge zugeführt wird, wenn an der Impulserzeugerschaltung ein das Überstreichen der Stoßfuge anzeigender Impuls (23) auftritt, daß die Impulserzeugerschaltung an einen zweiten Zähler (Sl) angeschlossen ist, und daß eine Divisionsschaltung (53) vorgesehen ist, die den Zählerstand des ersten Zählers (50) durch den Zählerstand des

zweiten Zählers (51) teilt

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Querbewegung des Elektronenstrahles steuernde V-Ablenkgenerator (39) an eine Extremwerterkennungsschaltung (44, 45) und eine Nulldurchgangserkennungsschaltung (43) angeschlossen ist, die die Impulsversorgung des ersten Zählers (SO) derart steuern, daß dem ersten Zähler (50) Zählimpulse nur in denjenigen Phasen der K-Ablenkspannung zugeführt werden können, in denen die l^Ablenkspannung sich von einem Extremwert aus dem Nullwert nähert

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zähler (50) dn Vorwärts/Rückwärtszähler ist, der von der Extremwerterkennungsschaltung (44, 45) derart gesteuert, ist, daß er während der ansteigenden Flanken der y-Ablenkspannung in der einen Richtung und während der abfallenden Flanken in der anderen Richtung zählt

7. Verrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Divisionsschaltung (53) mit einem bei jedem Abtastzyklus getakteten Laufzeitspeicher (54) verbunden ist

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, e.iß die effektive Länge des Laufzeitspeichers (54) entsprechend der Schweißgeschwindigkeit des Elektronenstrahles (23) einstellbar ist

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, IO, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz des Taktgenerators (30) entsprechend der Schweißgeschwindigkeit variabel einstellbar ist