DE3923790C2

DE3923790C2 -

Info

Publication number: DE3923790C2
Application number: DE19893923790
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Phys. Dr. 8520 Erlangen De Schlenk; Ralf-Dieter Dipl.-Ing. 8500 Nuernberg De Krause; Hans Dipl.-Phys. Dr. 8501 Heroldsberg De Lamatsch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-07-18
Filing date: 1989-07-18
Publication date: 1992-06-11
Also published as: DE3923790A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vermeidung von Schweißfehlern infolge von Hochspannungsüberschlägen beim Elek tronenstrahlschweißen von metallischen Werkstücken, bei dem ein Elektronenstrahl längs einer Strahlachse auf die Werkstücke gelenkt wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei der ein Strahlerzeuger für den Elektronenstrahl und die zu ver schweißenden Werkstücke in einer Elektronenstrahlschweißanlage angeordnet sind.The invention relates to a method for avoiding Welding errors due to high voltage flashovers at the Elek electron beam welding of metallic workpieces, in which a Electron beam onto the workpieces along a beam axis is directed. In addition, the invention also relates to associated device for performing the method in which a beam generator for the electron beam and the ver welding workpieces in an electron beam welding system are arranged.

Beim Elektronenstrahlschweißen von metallischen Werkstücken großer Dicke und/oder Metallen hoher Dampfdrücke können in folge der Metalldampfdrücke und/oder der Schmelzbadentgasung Hochspannungsüberschläge im Strahlerzeugersystem auftreten. Spricht dabei die Überstromsicherung der Hochspannungsversor gung an, wird die Beschleunigungsspannung während des Schweiß vorganges abgeschaltet. Schweißfehler in Form von Kratern durch die während des Überschlages hohen Strahlströme und/oder die nach Abschaltung zur Hochspannung plötzliche Unterbrechung der Schweißung sind dann unvermeidlich.When electron beam welding of metallic workpieces large thickness and / or high vapor pressure metals can follow the metal vapor pressures and / or the melt pool degassing High voltage flashovers occur in the jet generator system. Speaks the overcurrent protection of the high voltage supplier acceleration voltage during welding process switched off. Welding defects in the form of craters the high jet currents during the flashover and / or the after switching off to high voltage, sudden interruption of the Welding is then inevitable.

Vom Stand der Technik sind zur Vermeidung von Hochspannungs überschlägen in Röntgenröhren und/oder Elektronenstrahlkano nen folgende Methoden vorbekannt:State of the art are to avoid high voltage roll over in X-ray tubes and / or electron beam kano The following methods are already known:

- Control of the beam current through a to the beam generator Series connected electron tube. Using a current sensor the start of a rollover is registered and the Longitudinal tube controlled with high resistance.
- Use of a high voltage clocked at high frequency care. Such a timed supply can result small smoothing capacities to poorly performing discharge and rapid rise in voltage.
- Use of electron guns that are not in Beam axis. Through this with television picture tubes Proven principle of the ion trap can be rolled over Avoid in principle in the jet generator. All is for that However, a complex electron-optical system is necessary.

Zur Anwendung bei Schweißanlagen sind obige Methoden nicht geeignet, da beispielsweise durch das Ansprechen einer Über stromsicherung ebenfalls noch Schweißfehler auftreten und da ein separates elektronenoptisches System zu aufwendig ist.The above methods are not for use in welding systems suitable because, for example, by addressing an over power fuse also welding errors occur and there a separate electron-optical system is too complex.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und die zugehörige Vorrichtung vorzuschlagen, mit denen Schweiß fehler vermieden werden können.In contrast, the object of the invention is a method and to propose the associated device with which sweat mistakes can be avoided.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Vermei dung von Schweißfehlern infolge von Hochspannungsüberschlägen im Strahlerzeuger bei Anzeichen eines Überschlages parallel zum Strahlerzeuger ein niederohmiger Strompfad kurzzeitig ge schlossen wird. Vorzugsweise wird dabei der Strompfad nach einigen Mikrosekunden wieder geöffnet, um die dielektrische Fe stigkeit des Strahlerzeugers zu prüfen.The object is achieved in that to avoid Welding defects due to high voltage flashovers in the jet generator if there are signs of a rollover parallel to Beam generator briefly ge a low-impedance current path is closed. The current path is preferably followed reopened a few microseconds to the dielectric Fe Check the stability of the jet generator.

Vorteilhafterweise kann beim erfindungsgemäßen Verfahren nach wiederhergestellter dielektrischer Festigkeit im Strahlerzeuger der Schweißvorgang unmittelbar fortgesetzt werden. Bei noch nicht ausreichender dielektrischer Festigkeit wird dagegen die Zu- und Abschaltung des niederohmigen Strompfades mehrfach wiederholt. Der beginnende Überschlag im Strahlerzeuger kann dabei insbesondere durch die Soll-/Istwertabweichung im Strahl strom, der Wehneltspannung oder auch durch den Wehneltstrom bzw. durch Kombinationen der Meßgrößen erfaßt werden.Advantageously, in the method according to the invention restored dielectric strength in the beam generator the welding process can be continued immediately. At still in contrast, insufficient dielectric strength is the Switching the low-resistance current path on and off several times repeated. The beginning flashover in the jet generator can in particular through the setpoint / actual value deviation in the beam current, the Wehnel voltage or also through the Wehnelt current or by combinations of the measured variables.

Bei der zugehörigen Vorrichtung ist zur Realisierung des nie derohmigen Strompfades ein Pseudofunkenschalter vorhanden. Eine solche Pseudofunkenschaltung kann vorzugsweise aus einem Glimmentladungsraum und einer Schaltstrecke bestehen. Dabei ist vorteilhafterweise dem Glimmentladungsraum eine Einheit zur Erzeugung des Zündimpulses für den Pseudofunkenschalter zugeordnet, die über einen Lichtleiter als Signalstrecke an steuerbar ist.In the associated device is never to implement a pseudo radio switch is present in the resistive current path. Such a pseudo-radio circuit can preferably consist of one Glow discharge space and a switching path exist. Here is advantageously a unit of the glow discharge space to generate the ignition pulse for the pseudo radio switch assigned via a light guide as a signal path is controllable.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter ansprüchen.Further developments of the invention result out the sub claims.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.The figure shows a schematic representation of an embodiment according to the invention.

In der Figur kennzeichnet 1 den geerdeten Boden einer evaku ierbaren Kammer einer Elektronenstrahlschweißanlage. Pumpen und Ventile für die Vakuumerzeugung einerseits sowie Zugangseinrich tungen zur Kammer andererseits, wie Schleusen oder dgl., sind nicht im einzelnen dargestellt. Eine derartige Elektronenstrahl schweißanlage kann zum Schweißen von metallischen Werkstücken unter Atmosphärendruck betrieben werden, wenn sich die zu ver schweißenden Werkstücke außerhalb der evakuierten Kammer befin den und ein Elektronenstrahl aus der Kammer ausgeschleust wird.In the figure, 1 denotes the grounded floor of an evacuable chamber of an electron beam welding system. Pumps and valves for vacuum generation on the one hand and access devices to the chamber on the other hand, such as locks or the like, are not shown in detail. Such an electron beam welding system can be operated for welding metallic workpieces under atmospheric pressure if the workpieces to be welded are outside the evacuated chamber and an electron beam is discharged from the chamber.

Ein Strahlerzeuger 2 für den Elektronenstrahl besteht in be kannter Weise aus einer Kathode 3 mit Heizung 3a, einer Wehnelt elektrode 4 und einer Anode 5. Wehneltelektrode 4 und Anode 5 sind ringförmig um den Elektronenstrahl längs der Strahlachse I angeordnet.A beam generator 2 for the electron beam consists in known manner from a cathode 3 with heater 3 a, a Wehnelt electrode 4 and an anode 5th Wehnelt electrode 4 and anode 5 are arranged in a ring around the electron beam along the beam axis I.

Dem Elektronenstrahlerzeuger 2 ist ein nicht in der Figur dar gestelltes, beispielsweise magnetisches Ablenksystem für den Elektronenstrahl zugeordnet, das um ein konzentrisches Strahl rohr angeordnet ist. Mit letzterem wird der Elektronenstrahl auf eine Anordnung 10, beispielsweise einen verschiebbaren Wagen, mit den zu verschweißenden Werkstücken 11 und 12 ge lenkt. Das Verschweißen der Werkstücke erfolgt in bekannter Weise durch Führung des Elektronenstrahls längs der Schweißfuge und Aufschmelzen des Materials über die zugeführte Energie. Dafür sind entsprechende Steuereinrichtungen für die Führung des Elektronenstrahls und die Regelung des Strahlstromes vor handen.The electron beam generator 2 is associated with a not shown in the figure, for example magnetic deflection system for the electron beam, which is arranged around a concentric beam tube. With the latter, the electron beam is deflected onto an arrangement 10 , for example a movable carriage, with the workpieces 11 and 12 to be welded. The workpieces are welded in a known manner by guiding the electron beam along the weld joint and melting the material via the energy supplied. Appropriate control devices for guiding the electron beam and regulating the beam current are available for this.

Bei einem Hochspannungsüberschlag im Elektronenstrahlerzeuger 2 fällt durch die Entladung im Kathoden-Wehnelt-Raum die Wir kung der Strahlstromregelung aus. Dadurch können hohe Strahl ströme auf die Anordnung 10 mit den zu verschweißenden Werk stücken 11 und 12 gelangen, wodurch Schweißfehler verursacht werden. Diese Fehler lassen sich nur dann vermeiden, wenn es gelingt, für einen bestimmten Zeitraum den Strom über einen niederohmigen Nebenzweig parallel zur Elektronenkanone zu führen.In the event of a high-voltage flashover in the electron beam generator 2 , the effect of the beam current control fails due to the discharge in the cathode-Wehnelt space. As a result, high beam currents can reach the arrangement 10 with the work pieces 11 and 12 to be welded, which causes welding errors. These errors can only be avoided if it is possible to conduct the current parallel to the electron gun via a low-resistance branch for a certain period of time.

Zur Zuschaltung eines niederohmigen Strompfades würden sich einerseits ein Thyratron oder ein Funkenschalter anbieten. Da derartige Schalter jedoch nur eine begrenzte Schaltlebens dauer und Schaltfrequenz haben, wird der niederohmige Strom pfad speziell durch einen Pseudofunkenschalter realisiert.To connect a low-impedance current path would on the one hand offer a thyratron or a spark switch. However, since such switches only have a limited switching life duration and switching frequency, the low-resistance current path specifically implemented by a pseudo radio switch.

Ein Pseudofunkenschalter besteht prinzipiell aus zwei Gasent ladungskreisen, die bei Gasdrücken von ca. 0,1 mbar betrieben werden. Im ersten Kreis brennt eine stromschwache Glimment ladung, während der zweite Kreis, an dem die Hochspannung liegt, die Schaltstrecke darstellt.A pseudo radio switch basically consists of two gases charge circuits that operate at gas pressures of approx. 0.1 mbar will. A low-current glow is burning in the first circle charge, while the second circuit on which the high voltage is the switching distance.

In der Figur ist der Pseudofunkenschalter mit 20 angedeutet. Er besteht aus einem Glimmentladungsraum 21 und der zugehörigen Schaltstrecke 22. Dem Glimmentladungsraum 21 ist eine elek tronische Einheit 23 zur Erzeugung des Zündimpulses für den Pseudofunkenschalter 20 zugeordnet. Eine Signalleitung 24 zur Ansteuerung der Einheit 25 ist vorteilhafterweise zur galvani schen und potentialmäßigen Entkopplung als Lichtleiterstrecke ausgebildet, da die Pseudofunkenstrecke auf hohem Potential liegt.In the figure, the pseudo radio switch is indicated at 20 . It consists of a glow discharge space 21 and the associated switching path 22 . The glow discharge chamber 21 is an elec tronic unit 23 for generating the ignition pulse for the pseudo radio switch 20 is assigned. A signal line 24 for controlling the unit 25 is advantageously designed for galvanic and potential decoupling as an optical fiber link, since the pseudo-spark link is at high potential.

In den Versorgungseinheiten für den Elektronenstrahlerzeuger mit Hochspannungsversorgung 7 und einem Widerstand 8 zur Strahlstromregulierung ist über einen weiteren Widerstand 9 im Anodenkreis eine Elektronik-Einheit 25 zur Messung des Strahlstroms angeordnet, die über die Lichtleiterstrecke 24 als Signalleitung die Einheit 23 zur Erzeugung des Zündim pulses für den Pseudofunkenschalter 20 ansteuert.In the supply units for the electron beam generator with high voltage supply 7 and a resistor 8 for beam current regulation, an electronic unit 25 for measuring the beam current is arranged via a further resistor 9 in the anode circuit, the unit 23 for generating the ignition pulse for generating the ignition pulse via the optical fiber link 24 as a signal line controls the pseudo radio switch 20 .

Der Widerstand 9 zwischen der positiven Seite der Hochspan nungsversorgung 7 und der Anode bildet somit einen Sensor für den Strahlstrom, dessen Signal in der Einheit 25 erfaßt und einem Soll-/Istwertvergleich unterzogen wird. Zwischen der Anode 5 und der Schaltstrecke 22 des Pseudofunkenschalters 20 ist weiterhin eine Impedanz Z eingeschaltet, die kleiner ist als der Innenwiderstand der Elektronenkanone im Betrieb.The resistor 9 between the positive side of the high voltage supply 7 and the anode thus forms a sensor for the beam current, the signal of which is detected in the unit 25 and subjected to a target / actual value comparison. An impedance Z, which is smaller than the internal resistance of the electron gun during operation, is also connected between the anode 5 and the switching path 22 of the pseudo-spark switch 20 .

Mit dem vom Widerstand 9 als Sensor im Elektronenstrahlerzeuger abgeleiteten Signal wird im Falle eines Hochspannungsüberschla ges über einen Zündimpuls das Plasma im Glimmentladungsraum 21 in die Schaltstrecke 22 injiziert und damit ein elektrischer Durchschlag eingeleitet. Über den niederohmigen Schaltkreis wird dann die Kondensatorbatterie der Hochspannungsversorgung soweit entladen, bis die Entladung in der Schaltstrecke er löscht.With the signal derived from the resistor 9 as a sensor in the electron gun, the plasma in the glow discharge space 21 is injected into the switching path 22 in the event of a high voltage flashover via an ignition pulse and thus an electrical breakdown is initiated. The capacitor bank of the high-voltage supply is then discharged via the low-resistance circuit until the discharge in the switching path is extinguished.

Nach Wiederanstieg der Spannung, d.h. möglichst noch vor dem Erstarren des Schmelzbades, wird die dielektrische Festigkeit des Strahlerzeugers geprüft. Bei hinreichender Spannungsfestig keit übernimmt die Elektronenkanone wieder die Spannung, so daß der Schweißvorgang unmittelbar fortgesetzt werden kann. Ist dies nicht der Fall, führt ein neuerlicher Zündimpuls zum er neuten Durchschlag der Pseudofunkenstrecke.After the voltage rises again, i.e. if possible before Solidification of the weld pool, the dielectric strength of the jet generator checked. With sufficient dielectric strength The electron gun takes on the voltage again, so that the welding process can be continued immediately. Is if this is not the case, a new ignition pulse leads to it new breakdown of the pseudo-spark gap.

Da die Wiederholrate des Pseudofunkenschalters hoch ist, insbe sondere <100 pro s, ist mit einem derartigen Schalter eine wirksame Ausreglung eines Hochspannungsüberschlages möglich. Durch eine an die Hochspannungsversorgung angepaßte Wahl der Schaltkreisimpedanz Z läßt sich die Totzeit des Strahlerzeu gers einstellen. Insbesondere ist die Totzeit kleiner als die Erstarrungszeit der mit dem Elektronenstrahl aufgeschmolzenen Metallschmelze zur Verschweißung der Werkstücke gewählt.Since the repetition rate of the pseudo radio switch is high, esp special <100 per s, is with such a switch effective regulation of a high voltage flashover possible. Through a choice of the Circuit impedance Z can be the dead time of the radiator set. In particular, the dead time is less than that Solidification time of those melted with the electron beam Metal melt selected for welding the workpieces.

In der Figur wird der Zündimpuls für die Entladung im Pseudo funkenschalter aus dem Soll-/Istwertvergleich des Strahlstro mes in der Einheit 25 abgeleitet. Ebenso ist es möglich, einen Soll-/Istwertvergleich der Wehneltspannung durchzuführen. Vor teilhafterweise kann auch der beginnende Überschlag im Strahl strom durch die Kombination der Soll-/Istwertabweichungen beider Signale in Kombination erfaßt werden. Schließlich kann auch die Änderung des Wehneltstromes an sich ausgenutzt werden.In the figure, the ignition pulse for the discharge in the pseudo spark switch is derived from the setpoint / actual value comparison of the beam current in the unit 25 . It is also possible to carry out a setpoint / actual value comparison of the Wehnelt voltage. The beginning of the flashover in the jet stream can also be detected by combining the setpoint / actual value deviations of the two signals in combination. Finally, the change in the Wehnelt current per se can also be exploited.

Durch die Soll-Istwertvergleiche der Signale lassen sich ins besondere auch spezifische Betriebsarten wie ein gepulster Strahlstrom überwachen.By comparing the target and actual values of the signals, special also specific operating modes such as a pulsed Monitor beam current.

Mit der beschriebenen Vorrichtung können Schweißfehler infolge von Hochspannungsüberschlägen im Strahlsystem weitgehend ver hindert werden.With the device described welding errors can result of high voltage flashovers in the blasting system largely ver be prevented.

Claims

1. A method for avoiding welding errors when electron beam welding of metallic workpieces, in which an electron beam is directed along a beam axis to the workpieces ge, characterized in that to avoid welding errors due to high voltage flashovers in the beam generator when there are signs of a flashover parallel to the beam generator a low-resistance current path is briefly closed.

2. The method according to claim 1, characterized records that the current path after a few microseconds is opened again to the dielectric strength of the Jet generator to be checked.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized characterized in that after restored dielectric strength in the beam generator of the weld pre course is continued immediately.

4. The method according to claim 1 or 2, characterized characterized that if not yet sufficient dielectric strength the switching on and off of the low ohmic current path is repeated several times.

5. The method according to claim 1, characterized records that an upcoming or beginning Rollover in the jet generator due to the setpoint / actual value deviation is detected in the beam current.

6. The method according to claim 1, characterized records that an upcoming or beginning Rollover in the jet generator due to the setpoint / actual value deviation the Wehnelt voltage is detected.

7. The method according to claim 1, characterized characterized that an upcoming or starting rollover in the jet generator by yourself changing Wehnelt current is detected.

8. The method according to claim 1, characterized indicates that the setpoint / actual value deviation in the beam current on the one hand and the setpoint / actual value deviation of Wehnelt voltage on the other hand can be detected and that for the detection of a impending flashover in the beam generator both signals can be combined with each other.

9. The method according to any one of the preceding claims, since characterized in that the impedance of the low-impedance current path is chosen such that the dead time of the jet generator is less than the solidification time of the the molten metal melted on the electron beam.

10. An apparatus for performing the method according to claim 1 or one of claims 2 to 9, in which a beam generator for the electron beam and the workpieces to be welded are arranged in an electron beam welding system, characterized in that a pseudo spark switch ( 20 ) is provided.

11. The device according to claim 10, characterized in that the pseudo-spark switch ( 20 ) consists of a glow discharge chamber ( 21 ) and a switching path ( 22 ).

12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the glow discharge chamber ( 21 ) is assigned a unit ( 23 ) for generating the ignition pulse for the pseudo spark switch ( 20 ) which is controlled by a unit ( 25 ) for measuring the beam current.

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the unit ( 23 ) for generating the ignition pulse and the unit ( 25 ) for measuring the beam current are connected via a light guide ( 24 ) as a signal path.