DE3043635C1

DE3043635C1 - Verfahren und Anordnung zum automatischen Elektronenstrahlschweißen

Info

Publication number: DE3043635C1
Application number: DE19803043635
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr.-Ing. 7000 Stuttgart Koch
Original assignee: Inst fur Kerntechnik & Energ; Institut fur Kerntechnik und Energiewandlung Ev 7000 Stuttgart De; Institut Fuer Kerntechnik und Energiewandlung EV 7000 Stuttgart
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1980-11-19
Filing date: 1980-11-19
Publication date: 1987-05-07

Description

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Patentansprüchen 1 und 12 angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungs-
gemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei der Ermittlung der Spaltposition nicht nur eine Abtastung, sondern mehrere, über einen vorgegebenen Streckenabschnitt des Schweißspaltes verteilte Abtastungen vorgenommen, aus deren Meßergebnissen die Positionsdaten durch Mittelwertbildung gewon#nen werden.
Vereinzelte Fehlmessungen werden aufgrund der Vielzahl der Einzelmessungen durch die Mittelwertbildung weitgehend eliminiert.
Diese Verfahrensweise ist allerdings nur dann mit Erfolg anwendbar, wenn die Fehlerquote bei den Einzelmessungen ein bestimmtes Maß nicht übersteigt.
Um auch systematisch auftretende Fehler eliminieren und damit Fehlschweißungen ausschließen zu können, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Einzelmessungen alle hinsichtlich des Ausfalls von Spaltsignalen überwacht werden, und daß bei einer nicht tolerierbaren Fehlerquote eine Fehlerroutine eingeleitet wird, die eine optische und/oder akustische Fehleranzeige, das Starten eines neuen Versuchs, das Abbrechen der Schweißvorbereitungen oder eines bereits eingeleiteten Schweißvorgangs und/oder ein automatisches Ausschleusen des betreffenden Werkstücks aus der Schweißmaschine beinhalten kann.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein Schema einer Elektronenstrahlschweißmaschine mit automatischer Strahlnachführung und Fehlererkennung; F i g. 2 einen Impulslaufplan.
Das Strahlerzeugungssystem der Elektronenstrahlschweißmaschine besteht aus einer Elektronen emittierenden Kathode 10, einer Anode 12 und einer zwischen Kathode und Anode angeordneten Wehneltelektrode 14. Die Elektronen werden von der Kathode 10 durch ein durch die Hochspannungsquelle 16 aufgebautes elektrisches Gleichfeld auf die durchbohrte Anode 12 hin beschleunigt. Mit Hilfe der Wehneltelektrode 14 läßt sich der Elektronenstrom zwischen Kathode 10 und Anode 12 steuern. Im feldfreien Raum hinter der Anode 12 befindet sich eine Fokussierspule 18, mit der sich der durch die Anodenöffnung hindurchtretende divergente Elektronenstrahl 20 auf das Werkstück 22 fokussieren läßt. Mit Hilfe der Ablenkspulen 24 kann der Fokus 26 des Elektronenstrahls 20 in zwei zueinander senkrechten Richtungen relativ zur Werkstückoberfläche verschoben werden. Das Werkstück selbst kann auf dem Arbeitstisch 28so gedreht oder verschoben werden, daß es im Verlauf des Schweißvorgangs längs seines Schweißspalts 30 unter dem Elektronenstrahlauftreffpunkt vorbeibewegt wird.
Die Schweißmaschine enthält außerdem eine Einrichtung zur Strahlnachführung, mit deren Hilfe Toleranzen bei der Positionierung des Werkstücks auf dem Arbeitstisch 28 automatisch ausgeglichen werden können. Die Strahlnachführung erfordert eine Abtastung der Werkstückoberfläche, mittels der die genaue Lage des Schweißspalts bezüglich einer vorgegebenen Nullinie gemessen wird. Es bedarf dazu eines Meßvorgangs vor dem eigentlichen Schweißvorgang, der über die zentrale Maschinenablaufsteuerung 31 ausgelöst wird.
Zur Abtastung wird zweckmäßig der Elektronenstrahl 20 der Schweißmaschine verwendet, gegebenenfalls nach vorheriger Herabsetzung der Strahlintensität.
Gemessen werden dabei die an der Werkstückoberfläche reflektierten Elektronen mit Hilfe einer elektrisch isoliert in der Schweißkammer angeordneten Auffangelektrode 32. Bewegt man den Elektronenstrahl 20 senkrecht zum Schweißspalt 30 über die Werkstückoberfläche und mißt dabei mit der Auffangelektrode 32 die Anzahl der von der Metalloberfläche reflektierten Elektronen, so vermindert sich zu dem Zeitpunkt, zu dem der Elektronenstrahl ganz oder teilweise in den Spalt 30 fällt, die Zahl der die Auffangelektrode erreichenden Elektronen, weil die innerhalb des Spalts reflektierten Elektronen zum größten Teil von den Spaltwänden wieder absorbiert werden und somit die Auffangelektrode nicht erreichen. Die Zahl der zur Auffangelektrode 32 gelangenden Elektronen wird mit Hilfe der am Arbeitswiderstand 34 abfallenden Spannung gemessen.
Das im Verlauf einer Bewegung des Abtaststrahls quer zum Spalt erhaltene Spannungsminimum, das im folgenden als Spaltsignal Uz bezeichnet wird, kennzeichnet somit die Lage des Spalts innerhalb des abgetasteten Bereichs. Um das Spaltsignal elektronisch auswerten zu können, wird es in einem Impulsformer 36 in einen Rechteckimpuls U3 umgewandelt Die für den Meßvorgang erforderliche Hin- und Herbewegung des Elektronenstrahls quer zum Spalt erfolgt über das für die Ablenkung in y-Richtung vorgesehene Spulenpaar der Ablenkspulen 24, das über einen als Dreieck-Rechteck-Generator ausgebildeten Ablenkgenerator 38 und einen Verstärker 40 mit einem dem am Dreieckausgang des Ablenkgenerators abgreifbaren Dreiecksignal Ul proportionalen Wechselstrom versorgt wird.
Der Beginn und das Ende einer jeden, durch eine Hin-bzw. Herbewegung des Abtaststrahls definierten Einzelmessung ist zeitlich mit den Flanken des am Rechteckausgang des Ablenkgenerators abgreifbaren Rechtecksignals U4 korreliert und ist somit für eine elektronische Auswertung verfügbar. In Verbindung mit dem aus dem Spaltsignal U2 abgeleiteten Rechteckimpuls U3 läßt sich die Lage des Spalts innerhalb des Abtastbereichs bei jeder Einzelmessung elektronisch ermitteln. Dies erfolgt mit Hilfe der beiden bistabilen Kippstufen (Flip-Flops) 42,44, deren S- und R-Eingänge unter Verwendung geeigneter, in der Zeichnung nicht dargestellter, elektronischer Mittel auf die verschiedenen Flanken des Rechtecksignals U4 ansprechen, und deren Ausgänge ebenfalls mit Hilfe nicht näher erläuterter elektronischer Mittel Rechtecksignale U6 unterschiedlicher Polarität bezüglich eines vorgegebenen Mittenpotentials abgeben. Wie durch Pfeile symbolisch angedeutet ist, spricht der S-Eingang des Flip-Flops 42 auf die 0-L-Flanke und der S-Eingang des Flip-Flops 44 auf die L-0-Flanke des Rechtecksignals U4 an, während der eine der beiden R-Eingänge des Flip-Flops 42 auf die L-0-Flanke und des Flip-Flops 44 auf die 0-L-Flanke des Rechtecksignals U4 anspricht.
Über einen zweiten, mit dem ersten über eine ODER-Logik verknüpften R-Eingang werden die Flip-Flops 42, 44 durch das vom Impulsformer 36 kommende Spaltsignal U3 zurückgesetzt. Die Ausgangssignale U6 der beiden Flip-Flops gelangen über einen Addierer 46 auf den Eingang eines integrierenden Verstärkers 48, an dessen Ausgang ständig ein Spannungswert U7 abgreifbar ist, der als Mittelwert aus einer Vielzahl von vorhergehenden Einzelmessungen ein Maß für die Position des Schweißspalts bezüglich einer vorgegebenen Nullinie ist.
Im Verlauf der Messungen, bei denen der Abtaststrahl 20 sich quer über den Schweißspalt hin- und herbewegt, wird das Werkstück 22 auf dem Arbeitstisch 28 auf einer vorgegebenen, dem Verlauf des Schweißspalts 30 entsprechenden Kurve unter dem Auftreffpunkt des Abtaststrahls verschoben oder gedreht, so daß der Abtaststrahl eine Zickzack-Bahn relativ zum Werkstück 22 ausführt. Mit dem verschiebbaren Teil des Tisches ist ein Weggeber 50 bzw. ein Winkelcodierer verbunden, an dessen Ausgang 52 die Lagekoordinaten der Verschiebe- oder Drehbewegung abgreifbar sind. Nach einer bestimmten Anzahl von Einzelmessungen, die einer bestimmten Verschiebestrecke des Tisches entspricht, wird über ein vom Weggeber 50 abgegebenes Taktsignal U9 ein Analog/Digital-Wandler 54 gestartet, in welchem der momentan am Ausgang des integrierenden Verstärkers 48 abgreifbare analoge Mittelwert U7 in ein Digitalsignal D, beispielsweise mit 12 bit, umgewandelt wird, das nach Beendigung des Umwandlungsvorgangs als Positionsdaten für die spätere Strahlnachführung in einen Digitalspeicher 56 abgespeichert wird, und zwar an eine durch den Weggeber 50 definierte Speicheradresse A.
Im Verlauf der Einzelmessungen kommt es immer wieder vor, daß ein Spaltimpuls U2 ausbleibt, beispielsweise wenn der Spalt an einer bestimmten Stelle für die Messung zu schmal ist. Sofern derartige Messungen nicht zu häufig vorkommen, werden sie durch die Mittelwertbildung aus der Vielzahl von Einzelmessungen weitgehend eliminiert.
Um darüber hinaus etwaige systematische Fehler feststellen zu können, ist außerdem eine Zählanordnung vorgesehen, mit deren Hilfe das Nichtvorhandensein von Spaltimpulsen im Verlauf einer Folge von Einzelmessungen gezählt und mit einem vorgegebenen Toleranzwert verglichen werden kann. Die Zählanordnung enthält einen ersten, als Auf- und Abwärtszähler ausgebildeten Zähler 58, dessen Aufwärtszähleingang (+ m) mit Zählsignalen Us beaufschlagt ist, die mit Hilfe einer monostabilen Kippschaltung 60 aus den Vorderflanken und den Rückflanken des Rechtecksignals U4 abgeleitet sind, und dessen Abwärtszähleingang (-m) mit den vom Impulsformer kommenden Spaltsignalen U3 beaufschlagt ist. Der Zähler 58 wird jeweils über das Taktsignal Us des Weggebers 50 auf einen Vorgabewert gesetzt, der durch seine Differenz zum Überlaufwert des Zählers den genannten Toleranzwert definiert. Der im Zähler im Verlauf der Einzelmessungen laufend gebildete Differenzwert erhöht sich immer dann um 1, wenn bei einer Einzelmessung kein Spaltsignal U3 auftritt. Das Erreichen des Toleranzwerts wird durch ein Signal am Übertrag-Ausgang (carry) des Zählers 58 angezeigt. Dieses Signal gelangt an den Zähleingang eines weiteren Zählers 60, in dem die betreffenden Fehlerereignisse gezählt und mit einem weiteren Toleranzwert verglichen werden. Dieser Zähler 60 wird über die Zentralsteuerung 31 jeweils nach dem Einsetzen eines neuen Werkstücks 22 in die Schweißkammer auf einen Vorgabewert gesetzt, der durch seine Differenz zum Überlaufwert des Zählers 60 den weiteren Toleranzwert definiert. Bei Erreichen des Toleranzwerts wird über den Übertrag-Ausgang des Zählers 60 das gleichzeitig mit dem Zähler 60 gesetzte Flip-Flop 62 zurückgesetzt und dabei eine Fehlerauswertung 64 angesteuert. Die Fehlerauswertung kann die Abgabe eines optischen oder akustischen Signals, ein Starten eines weiteren Meßversuchs, ein Abbrechen der Schweißvorbereitung oder des Schweißvorgangs, ein automatisches Auswerfen des Werkstücks oder dergleichen beinhalten.
Im Normalfall wird die Meßphase ohne Fehlermeldung beendet. Beim nachfolgenden Schweißvorgang stehen dann die im Speicher 56 abgespeicherten Positionsdaten für die Strahlnachführung zur Verfügung. Die Umschaltung von der Meßphase auf die Schweißphase erfolgt über die Zentralsteuerung 31, die durch ein am Ausgang 66 abgreifbares logisches Signal S/Mden Zustand Schweißen bzw. Messen definiert.
Wie oben bereits erwähnt, wird das Signal S/M zu Beginn der Meßphase zum Zurücksetzen des Zählers 60 und des Flip-Flops 62 verwendet. Außerdem wird damit der Lese/Schreib-Eingang R/W des Digitalspeichers 56 in der Weise angesteuert, daß während der Meßphase die vom Analog/Digital-Wandler 54 kommenden Daten eingeschrieben und daß während der Schweißphase die abgespeicherten Positionsdaten zum Digital/Analog-Wandler 68 ausgelesen werden. Mit dem Signal S/M wird außerdem ein Kurzschlußschalter 70 angesteuert, der während der Schweißphase durchgesteuert wird, um zu verhindern, daß sich am Eingang des Impulsformers 36 aufgrund der erhöhten Strahlintensität eine unerlaubt hohe Spannung aufbauen kann. Schließlich wird über die Zentralsteuerung 31 auch noch ein Kanalumschalter 72 angesteuert, der den mit den Ablenkspulen 24 verbundenen Verstärker 40 während der Meßphase mit dem Dreieckausgang des Ablenkgenerators 38 und in der Schweißphase mit dem Ausgang eines Addierers 74 verbindet. Der Addierer ist auf seiner Eingangsseite einmal mit den Ablenksignalen Ux und Uy eines Wedel-Generators 76 beaufschlagt, die bewirken, daß der Elektronenstrahlfokus während des Schweißvorgangs eine wedelnde Bewegung in einer zur Werkstückoberfläche parallelen x-y-Ebene ausführt, um ein besseres Schweißergebnis zu erhalten. An einem weiteren Eingang wird der Addierer mit dem momentanen Korrektursignal Ky beaufschlagt, das am Ausgang des Digital/Analog-Wandlers 68 abgreifbar ist und eine Nachführung des Elektronenstrahls in y-Richtung nach Maßgabe der zuvor in der Meßphase ermittelten Positionsdaten hervorruft.
In dem Impulslaufplan nach F i g. 2 sind die wichtigsten, während der Meßphase auftretenden Signale in ihrer zeitlichen Beziehung zueinander dargestellt. Der obere Teil des Impulslaufplans (Ul bis U7) umfaßt eine Zeitspanne von etwa sechs Einzelmessungen. Im unteren Teil sind in einem kleineren Zeitmaßstab mehrere durch die Taktsignale Us voneinander getrennte Gruppen von Einzelsignalen enthalten. Beim Auftreten der Taktsignale Us werden jeweils die durch den momentanen Integralwert U7 definierten Positionsdaten in die durch den Weggeber 50 vorgegebenen Adressen A des Digitalspeichers 56 abgespeichert.
Die vorstehend in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Anordnung ist für ein Positionierungsverfahren bestimmt, bei welchem die Positionsdaten an verschiedenen Stellen längs des Schweißspalts ermittelt und abgespeichert werden. Der Schweißspalt kann dabei eine weitgehend beliebige Kurve beschreiben.
Sofern eine automatische Positionierung des Werkstücks aufgrund nur eines einzigen Korrekturwerts möglich ist, kann dieser Wert ebenfalls mit der beschriebenen Mittelwertbildung aufgrund einer Vielzahl von Einzelmessungen ermittelt werden. Es ist dazu jedoch kein Weggeber und auch nur ein einfacher Speicher erforderlich. Wird in einem solchen Falle ein Analogspeicher verwendet, so kann auf die beiden Wandler 54 und 68 verzichtet werden. Die Fehlererkennung erfolgt hierbei allein durch den Zähler 58, so daß der Zähler 60 weggelassen werden kann.
Grundsätzlich ist es auch möglich, das beschriebene Prinzip der Positions- und Fehlerermittlung bei einer Online-Strahlnachführung anzuwenden, bei der der Schweißspalt in kurzen Zwischenintervallen während des Schweißvorgangs durch Dunkeltasten abgetastet wird.
Aus metallurgischen Gründen kann es notwendig sein, den Auftreffpunkt des Elektronenstrahls nicht genau in die Mitte des Schweißspaltes zu legen, sondern um ein kleines vorgegebenes Stück aus der Mitte heraus, um damit ein durch unterschiedliche Werkstoffzusammensetzung oder Werkstoffdicke bedingtes verschiedenes Aufschmelzverhalten der beiden zu verschweißenden Werkstücke auszugleichen.
Da beim Elektronenstrahlschweißen in der Regel ohne Zusatzwerkstoff geschweißt wird, sollte der Spalt möglichst klein gewählt werden. Ein kleiner Spalt liefert aber auch relativ kleine Spaltsignale, die oft schlecht von Brumm- und Rauschspannungen getrennt werden können. In den Fällen, in welchen aus schweißtechnischen Gründen der Spalt so klein sein muß, daß eine elektronische Trennung zwischen Spaltsignal und Störspannungen nicht möglich ist, kann ein Referenzspalt oder eine Referenzkante im Werkstück zur Positionsbestimmung benutzt werden, wenn dieser Referenzspalt bzw. die Referenzkante exakt parallel zum Schweißspalt verläuft. Die aus den betreffenden Spaltsignalen gewonnenen Positionsdaten müssen dann lediglich um einen dem Abstand entsprechenden Betrag korrigiert werden, um die für die Strahlnachführung beim Schweißvorgang erforderlichen Positionsdaten zu erhalten.
Die in den beiden vorstehenden Absätzen beschriebene Parallelverschiebung der Nullinie kann schaltungstechnisch dadurch realisiert werden, daß zu dem vom Ablenkgenerator 38 kommenden Dreiecksignal mittels eines Addierers 80 eine Gleichspannung hinzuaddiert wird, die an einem von außen einstellbaren Potentiometer 82 abgreifbar ist

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum automatischen Schweißen eines Werkstücks mittels eines fokussierten Elektronenstrahls entlang einem Schweißspalt, wobei zunächst die Lage des Schweißspalts in bezug auf eine vorgegebene Nullinie durch Bewegen eines gebündelten Abtaststrahls, insbesondere des Elektronenstrahls, mit bestimmter Geschwindigkeit im wesentlichen quer zum Schweißspalt und durch Auffangen des an der Werkstückoberfläche reflektierten Abtaststrahls gemessen wird und die durch elektronisches Auswerten der durch den Schweißspalt erzeugten Signale gewonnenen Positionsdaten gespeichert werden, und wobei das Werkstück beim anschließenden Schweißvorgang entlang seinem Schweißspalt an dem mittels der gespeicherten Positionsdaten lagekorrigierten Auftreffpunkt des Elektronenstrahls vorbeibewegt wird, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die gespeicherten Positionsdaten durch Mittelwertbildung aus einer größeren Anzahl von Einzelmessungen gebildet werden, bei welchen der Abtaststrahl innerhalb einer vorgegebenen Strecke entlang dem Schweißspalt an einen Abstand voneinander aufweisenden Stellen etwa quer über den Schweißspalt bewegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaststrahl in einer zickzackartigen Hin- und Herbewegung über den Schweißspalt bewegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißspalt in seinem Verlauf in mehrere vorgegebene Teilstrecken unterteilt wird und für jede Teilstrecke die Positionsdaten durch Mittelwertbildung aus einer größeren Anzahl Einzelmessungen gebildet und abgespeichert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück während der Messung der Positionsdaten mit vorgegebener Geschwindigkeit etwa in Längsrichtung des Schweißspaltes unter dem eine Hin- und Herbewegung quer zum Schweißspalt ausführenden Abtaststrahl verschoben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder durch eine Hin- bzw. Herbewegung des Abtaststrahls ausgelösten Einzelmessung ein Rechteckimpuls mit abwechselnd positiver und negativer Polarität erzeugt wird, dessen Länge durch die Zeitspanne zwischen Beginn der Einzelmessung und Auftreten des Spaltsignals oder Ende der Einzelmessung bestimmt ist, und daß die Folge von Rechteckimpulsen mit einer eine größere Anzahl von Einzelmessungen erfassenden Zeitkonstanten integriert und der momentane Integralwert nach einem der Laufdauer des Abtaststrahls über die vorgegebene Strecke oder die jeweilige Teilstrecke entsprechenden Zeitintervall als Mittelwert für die Erzeugung der Positionsdaten abgegriffen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrations-Zeitkonstante etwa der Laufdauer des Abtaststrahls über die vorgegebene Strecke oder die vorgegebenen Teilstrecken entspricht.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der momentane Mittelwert in einem Analogspeicher abgespeichert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der momentane Mittelwert in ein digitales Signal umgewandelt und in einem Digitalspeicher abgespeichert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der vorgegebenen Strecke oder Teilstrecken die Differenz zwischen der Anzahl der Einzelmessungen und der Anzahl der auftretenden Spaltsignale gebildet und der Differenzwert mit einem vorgegebenen Toleranzwert verglichen wird und daß bei Überschreiten des Toleranzwerts ein Fehlersignal abgegeben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreten von den Teilstrecken zugeordneten Fehlersignalen gezählt und die betreffende Anzahl mit einem weiteren Toleranzwert verglichen wird und daß bei Überschreiten des Toleranzwerts ein weiteres Fehlersignal abgegeben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal oder das weitere Fehlersignal optisch und/oder akustisch angezeigt und/oder zum Abschalten des Schweißvorgangs oder Auslösen einer Fehlerroutine verwendet wird.
12. Anordnung zum automatischen Schweißen eines Werkstücks entlang einem Schweißspalt in einer Elektronenstrahlschweißmaschine mit einem das Werkstück unter Vorbeibewegen des Schweißspalts am Auftreffpunkt des Elektronenstrahls drehbaren oder verschiebbaren Arbeitstisch, einer Vorrichtung zur Ablenkung eines gebündelten Abtaststrahls, insbesondere des Elektronenstrahls, im wesentlichen quer zum Schweißspalt, einer Vorrichtung zum Auffangen des an der Werkstückoberfläche reflektierten Abtaststrahls und zur Erzeugung eines die Lage des Schweißspalts bezüglich einer vorgegebenen Nullinie definierenden Spaltsignals, einer elektronischen Anordnung zur Auswertung des Spaltsignals und Abspeicherung der dadurch gewonnenen Positionsdaten und einer Anordnung zur Lagekorrektur des Elektronenstrahlauftreffpunkts beim Schweißvorgang nach Maßgabe der abgespeicherten Positionsdaten, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaststrahl (20) innerhalb einer vorgegebenen Strecke entlang dem Schweißspalt (30) mit Hilfe der Ablenkvorrichtung (24) an einer größeren Anzahl von einen Abstand voneinander aufweisenden Stellen etwa quer über den Schweißspalt zur Durchführung von Einzelmessungen verschiebbar ist, und daß die Auswerteanordnung eine Einrichtung (48) zur Bildung eines aus den im Verlauf der Einzelmessungen innerhalb der Strecke erzeugten, die Lage des Spalts bezüglich einer Nullinie definierenden Signalen gebildeten Mittelwerts und zur Abspeicherung der daraus abgeleiteten Positionsdaten enthält.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung durch ein Spulenpaar der Ablenkspulen (24) der Schweißmaschine gebildet ist, das über einen als Dreieck-Generator oder Dreieck-Rechteck-Generator ausgebildeten Ablenkgenerator (38) ansteuerbar ist.
14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitstisch (28) mit einem Weggeber (50) verbunden ist, mit Hilfe dessen der Schweißspalt für den Meß- und den anschließenden Schweißvorgang in seinem Verlauf in mehrere vorgegebene Teilstrecken unterteilbar ist, und daß für jede Teilstrecke die Positionsdaten durch Mittelwertbildung aus einer größeren Anzahl Einzelmessungen mit Hilfe der Auswerteanordnung erzeugbar und abspeicherbar ist.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteanordnung eine mit den die Einzelmessungen auslösenden Steuersignalen (U1, U4) der Ablenkvorrichtung (38) und den Ausgangssignalen (U3) der Auffangvorrichtung (32) beaufschlagte Schaltungsanordnung (42, 44, 46) zur Erzeugung einer Folge von bei jeder Hin- und Herbewegung des Abtaststrahls eine abwechselnd positive und negative Polarität aufweisenden Rechteckimpulsen (U6), deren Länge durch die Zeitspanne zwischen Beginn der jeweiligen Einzelmessung und Auftreten des Spaltsignals oder Ende der Einzelmessung definiert ist, sowie einen am Eingang mit der Folge von Rechteckimpulsen beaufschlagten integrierenden Verstärker (48) enthält, an dessen Ausgang ein die mittlere Spaltposition definierender Mittelwert ansteht, der nach einem durch die Laufdauer des Abtaststrahls über die vorgegebene Strecke oder die jeweilige Teilstrecke bestimmten Zeitintervall zur Bildung und Abspeicherung der Positionsdaten abgreifbar ist.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Verstärkers (48) mit einem Analogspeicher verbindbar ist.
17. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (48) mit einem durch ein Taktsignal (Us) des Weggebers (50) gestarteten Analog-Digital-Wandler (54) verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Dateneingang eines durch den Weggeber (50) adressierbaren Digitalspeichers (56) verbunden ist.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet durch einen Aufwärts-Abwärts-Zähler (58), dessen Aufwärtszähleingang (+ m) mit einem vom Ausgangssignal (U4) des Ablenkgenerators (38) abgeleiteten Zählsignal (Us) und dessen Abwärtszähleingang (-m) mit einem vom Ausgangssignal (U2) der Auffangvorrichtung (32) abgeleiteten Zählsignal (U3) beaufschlagt ist, und der einen Komparator zum Vergleich des so gebildeten Differenzwerts mit einem vorgegebenen Toleranzwert und zur Abgabe eines Fehlersignals beim Überschreiten des Toleranzwerts enthält.
19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (58) durch das Taktsignal (U9) des Weggebers (50) auf einen den Toleranzwert definierenden Vorgabewert setzbar ist.
20. Anordnung nach Anspruch 18 oder 19, gekennzeichnet durch einen weiteren Zähler (60), dessen Zähleingang mit dem Fehlersignal des ersten Zählers (58) beaufschlagt ist und der einen Komparator zum Vergleich des Zählerstands mit einem weiteren Toleranzwert und zur Ausgabe eines weiteren Fehlersignals beim Überschreiten des Toleranzwerts enthält.
21. Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlersignal oder das weitere Fehlersignal optisch und/oder akustisch anzeigbar und/oder zum Abbrechen der Schweißvorbereitungen oder des Schweißvorgangs und gegebenenfalls zum Auslösen eines automatischen Ausschleusens des als fehlerhaft erkannten Werkstücks aus der Schweißmaschine verwendbar ist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß den durch Mittelwertbildung aus den Spaltsignalen gewonnenen Positionsdaten für die Ermittlung des lagekorrigierten Auftreffpunkts des Elektronenstrahls ein vorgegebener Betrag in der zur Nullinie senkrechten Richtung hinzuaddiert wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Betrag vor der Abspeicherung der Positionsdaten hinzuaddiert wird.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaststrahl zur Bildung des Spaltsignals über einen gegenüber dem Schweißspalt um etwa den genannten Betrag parallel versetzt auf einem der zu verbindenden Werkstücke angeordneten Referenzspalt oder über eine entsprechende Referenzkante bewegt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum automatischen Elektronenstrahlschweißen der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 12 angegebenen Gattung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die automatische Strahlnachführung beim Elektronenstrahlschweißen. Es gibt im wesentlichen drei Verfahren der Strahlnachführung: a) eine Positionierung des Werkstücks, bei der einmalig vor jedem Schweißvorgang die Lage des Schweißspalts automatisch gemessen und für die Strahlnachführung beim nachfolgenden Schweißvorgang gespeichert wird; b) eine Positionierung, bei der nicht nur einmalig, sondern im Verlauf der Schweißnaht an mehreren Stellen gemessen und die dabei ermittelten Positionsdaten unter den zugehörigen Adressen abgespeichert werden, um beim nachfolgenden Schweißvorgang an den betreffenden Stellen wieder aus dem Speicher abgerufen werden zu können; c) eine Online-Strahlnachführung, bei der die Schweißnaht im Verlauf des Schweißens durch Dunkeltasten abgetastet und der Strahlauftreffpunkt nach Maßgabe der ermittelten Abweichung nachgeführt wird.

Bei der praktischen Durchführung dieser Verfahren kommt es immer wieder vor, daß die für die Ermittlung der Positionsdaten erforderlichen Spaltimpulse ausbleiben, z. B. weil ein zu schmaler Spalt vorhanden ist oder weil die Welligkeit des Strahlstroms etwa aufgrund von Brummeinstreuungen zu groß ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung für eine automatische Strahlnachführung beim Elektronenstrahlschweißen zu entwickeln, womit etwaige bei der Messung der Spaltposition auftretende Fehler weitgehend eliminiert werden können.