DE1919905A1 - Elektronenstrahlschweissgeraet - Google Patents

Description

Patentanwalt

Dr. I ν- \7illielni Eöichel

Fiankfuii/Mcrin-J
Parkslraße H

GENERALELECTRIC COMPANY, Schenectaäy, N.Y. V. St.A.

Elektronenstrahlschweißgerat

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenstrahlschweißgeräte und auf Verfahren zur Einstellung des Elektronenstrahles bei solchen Geräten auf ein Werkstück,das geschweißt werden soll. Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit Elektronenstrahlschweißgerat en, bei denen eine leitende Platte unter einer Werkstückverbindung angeordnet ist, durch die die Ausrichtung des Elektronenstrahls relativ zur Verbindung bestimmbar ist.

In den vergangenen Jahren wurde Elektronenstrahlschweißung, beispielsweise Schwoißung, bei der ein Elektronenstrahl durch eine Verbindung zwischen av/ei gegenüberliegenden Werkstücken hindurchdringt, von den Metallwarenherstellern zunehmend verwendet, da dieses Verfallren einen großen Wirkungsgrad aufweist j, die Wärmeschäden in den zu verbindenden Werkstücken begrenzt sind und eine minimale maschinelle Nachbearbeitung erforderlich ist, um die relativ kleine Schweißnaht zu vollenden» Um jedoch gesunde, tiefe Schweißnähte zu erhalten, mußten die Verbindungen der zu schweißenden Werkstücke unter Verwendung von komplizierten. Techniken sorgfältig mit dem Brennpunkt des Elektronenstrahlea ansgerichtet werden, wodurch häufig der v/i rt scha ft Ii ehe Yost eil, dar mit der Elektronenstrahls chweißung verbunden ist» irorringert wurde. Unter dan ßoßonwUrblß vorwand eten anwendbaEWi Verfahren aur Aua-

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richtung eines Elektronenstrahles rait einer zu schweifenden Verbindung befinden sich sowohl optische Verfahren, bei denen die Stellung des Strahles optisch beobachtet wird, wodurch dann die Verbindung relativ zur Strahlstellung eingestellt werden kann, als auch elektronische Verfahren-, bei denen die Brennpunktstellung des Elektronenstrahles durch Strahlablenkungen relativ zu Elektronenabtastern genau bestimmt wird, die an genau bekannten Stellen angebracht sind und bei denen die Werkstückverbindung anschließend mit dem bestimmten Brennpunkt ausgerichtet wird. Das zuletzt erwähnte Verfahren ist jedoch im allgemeinen wegen der zeitraubenden Vorgänge, die zur genauen Ausrichtung der Werkstückverbindung mit der bekannten Stellung des Elektronenstrahlbrennpunkt es erforderlich sind, unzureichend, wohingegen die optischen Verfahren wegen der allgemeinen großen Toleranzen, die bei optischer Betrachtung auftreten, ungenau sind. Biese bekannten Verfahren überwinden auch nicht die gut bekannten Pro- bleme, die bei Elektronenstrahlablenkung auftreten und von ma= gnetischen Wirkungen herrühren, und sie schalten auch nicht l'^iks tückfehler aus, die auf thermischer Ausdehnung beruhen,,

Bei einem anderen gegenv/ärtig verwendeten Verfahren zur Elektronenstrahlausrichtung wird eine mechanische Vorrichtung verwendet, mit der Sie Elektronenkanone relativ zu einigen mechanischen Bezugsflächen eingestellt wird. Dieses Verfahren ermöglicht jedoch nicht eine Kompensation der Einstellung , die durch Änderungen der Dimensionstoleranzen während der Herstellung des Werkstückes erforderlieh sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Elektronenstrahl·= schweißgerät zu schaffen, welches eine elektronische 2:r,p fangsvorrichtung aufweist, die die Werkstückverbindung mit dem Elektronenstrahl rasch ausrichten kann.

Das Elektronenstrahlschweißgerät gemäß der Erfindung hat vorzugsweise eine automatische Einstellvorrichtung zur Einstellung

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des Elektronenstrahls«?; relativ zu der zu schweißenden Verbindung.

Das ElektronenstrahlschV'fißgerät ge-m'ä.ß der Erfindung soll den Elektronenstrahl während des Schweißens möglichst genau ausrichten können.

Das Elektronenstrahlschweißgerat gemäß der Erfindung soll möglichst einfach aufgebaut sein und eine stabile Empfangsvorrichtung aufweisen.

Das Elektronenstrahlschweißgerät gemäß der Erfindung arbeitet nach einem neuen Verfahren, bei welchem der Elektronenstrahl sowohl vor als auch beim Schweißen ausgerichtet wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine leitende Platte auf der in Strahlrichtung des Elektronenstrahls abgewandten Seite des Werkstückes angeordnet ist, mit der die Intensität der Elektronen, gemessen wird, die durch den Riß hindurchgehen, beispielsweise ein Sprung in einem Werkstück oder die Verbindung zwischen zwei sich gegenüberliegenden Werkstücken, die zusammengeschweißt werden sollen. Ein Elektronenstrahlschweißgerät gemäß der Erfindung enthält beispielsweise eine Elektronenstrahlquelle zum Zusammenschweißen eines Längsrisses in einem Werkstück und eine Vorrichtung, die den Elektronenstrahl auf dem Werkstückriß fokussiert.längs der axialen Ebene des Elektronenstrahles ist an einer der Stelle auf der in Strahlrichtung des Elektronenstrahles abgewandten Seite des Werkstückes eine leitende Platte angeordnet, die die Ausrichtung des Strahles mit dem Werkstückriß anzeigt, und es sind Vorrichtungen vorgesehen, die die Intensität der Elektronen bestimmen, die durch den Riß hindurchgehen und auf der leitenden Platte auftreffen. Wenn diese Vorrichtung dazu verwendet wird, das Werkstück zu Beginn vor dem Schweißen auszurichten, dann wird der Strahl mit geringer Intensität senkrecht

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zur Längsrichtung des Rißes in dem Werkstück abgelenkt, beispielsweise senkrecht zur Vorschubrichtung des Werkstückes während des Schweißens , und der Strahl wird in eine Stellung eingestellt, die ein maximales Ausgangssignal an der leitenden Platte erzeugt. Da die automatische Ausrichtung des Elektronenstrahles mit dem Riß während des Schweißens eine Ortung der Rißstellen erforderlich macht, bevor diese Stellen ge·= schweißt werden, wird eine Strahlausrichtung während des Schweißens dadurch erreicht, daß der Strahl von der Schweißstelle in einer Richtung parallel zur Yorschubrichtung des Werkstückes nach vorne abgelenkt wird, damit ein Fehlersignal proportional zur Rißausrichtung mit der Werkstückbewegung ent.= steht. JDas Fehlersignal wird dann wiederum den Ablenkspulen für den Elektronenstrahl oder den Werkstückvorsclmbeinrichtungen zugeführt, damit die relative Stellung des Elektronenstrahl les zu. dem Werkstückriß eingestellt wird» Um ein großes Feh= lersignal au erhalten, wobei jedoch Änderungen des Werkstückes begrenzt sind-, sind die Strahlablenkungen während des Schweißens vorzugsweise senkrecht zur Vorschubrichtung um eine Strekke versetzt, die geringer als die Elektronenstrahlbreite auf dem Werkstück ist, wobei die Richtung der Versetzung für eine Vorwärtsstrahlablenkung gegenüber einer Rücklaufstrahlablenkung entgegengesetzt ist.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigern

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Elektronenstrahlschweißgerät mit einer Ausrichtsteuereinrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Elektronenstrahlablenk™ pfades zur Ausrichtung während des Schweißens,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Elektronenstrahlschweißgerät mit einer im Blockdiagramm dargestellten Schaltung, die bei einem Elektronenstrahlablenkweg gemäß Fig. 2 verwendet wird,

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Pig. 4- einen Schnitt durch ein Elektronenstrahlschweißgerät mit einer im Blockdiagramm dargestellten Schaltung, die eine automatische Elektronenstrahlausrichtung während des Schweißens ermöglicht,

Pig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines anderen Ablenkpfades des Elektronenstrahles, der eine Ausrichtung während des Schweißens ermöglicht,

Pig. 6 eine bildliche Darstellung einer Elektronenstrahlintensitätskurve,

Pig. 7 einen Schnitt durch ein Elektronenstrahlschweißgerät mit einer im Blockdiagramm dargestellten Schaltung, die •bei einem Ablenkpfad gemäß Pig. 5 verwendet werden kann und

Pig. 8 eine Kurve, die das Ausgangssignal darstellt, das bei einer Elektronenstrahlablenkung nach Pig. 7 entsteht.

In Pig. 1 ist ein Elektronenstrahlschweißgerät dargestellt, welches eine Kanonenkammer 11 mit einer Katode 12 zur Erzeugung eines Elektronenstrahles enthält, eine Arbeitskammer 13, in welcher die Stumpfschweißung eines Werkstückes 14 vorgenommen wird und eine Detektoranordnung 15, mit der die Ausrichtung des Elektronenstrahles gegenüber der Verbindungsstelle 16 des Werkstückes 14 festgestellt wird. Das ganze Schweißgerät ist im Gehäuse eingeschlossen, damit eine Drucksteuerung der einzelnen Kammern möglich ist, und es ist ein Gehäuse 18 vorgesehen, welches die Arbeitskammer 13 bildet und ein zweites Gehäuse 19, welches auf dem Gehäuse 18 befestigt ist, und welches dazu dient, die Kanonenkammer 11 aufzunehmen. In der Deckplatte des Gehäuses 18 ist eine Öffnung 20 zentrisch angeordnet, die mit dem Elektronenstrahl, der von der Katode 12 erzeugt wird, axial ausgerichtet ist, damit der Elektronenstrahl durch sie hindurchgehen kann, die jedoch einen so geringen Durchmesser hat, daß der Gasaustausch zwischen der Arbeitskammer und der Kanonenkamraor begrenzt ist. Eine Diffusionspumpe 21, die mit einer öffnung 25 in äev Seitenwand des Arbeitskammergehäuses 1ö

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verbunden ist, kann in der Arbeitskammer einen Druck von weniger als 0,5 mm sum Schweißen des Werkstückes 14 aufrechterhalten, und andererseits dient eine Diffusionspumpe 22, die mit einer Öffnung 24 in dem Kanonenkammergehäuse 19 verbunden ist, dazu, den Druck in der Kanonenkamraer auf einem v/es entlich

-4 — 5 geringeren Wert zu halten, beispielsweise auf 10 bis 10 Torr, damit die Lebensdauer der Katode verlängert v/ird.

Es kann jede Eiektronenstrahlquelle bei dem Eiektronenstrahlcchweißgerät verwendet werden, beispielsweise eine Plasmaquelle oder eine Glühkatodenquelle, jedoch ist eine Piasmaquelle, wie sie in Pig. 1 dargestellt ist, vorzuziehen, da die dabei verwendeten Katoden eine relativ lange Lebensdauer haben und weil im allgemeinen solche Quellen einen Elektronenstrahl erzeugen, auf den sie wie ein Kollimator einwirken. Die Katode 12 ist hohl ausgebildet und am unteren Ende eines leitenden Stabes 26 befestigt, der in eine isolierte Durchführung 27 eingelagert ist, damit die Katode in geeigneter Weise von außen gespeist werden kann, beispielsweise von einer 10- bis 60 Kilovolt Gleichspannungsquelle, die mit ihr über Klemmen 2ö und den leitenden Stab verbunden ist. In der Kanonenkammer 11 ist ein geerdeter Mantel 29 fest mit dem Gehäuse 19 verbunden, der nach unten ragt, so daß er die Katode 12 ummantelt und dadurch die Slektronenentladung auf das Gebiet einer Öffnung 30 im unteren Teil der Katode begrenzt. Der von der Katode 12 abgegebene Elektronenstrahl wird durch eine elektromagnetische Linse 32, die von einer Stromquelle 33 erregt wird, bis auf einen Strahldurchmesser gebündelt, der geringer ist als der Durchmesser der Öffnung 20, damit der Strahl ungehindert in die Arbeitskammer 13 gelangen, kann. Wenn der Elektronenstrahl in die Arbeitskammer 13 gelangt, dann wird der geringfügig divergierende Strahl noch einmal durch eine elektromagnetische Linse 34 gebündelt, die von einer Brennpunktsteuerschaltung 35 erregt wird, damit er auf dem Werkstück 14 in einem Gebiet auftrifft, welches einen Durchmesser von weniger als 0,65 cm hat, wodurch die Schweißintensität des Strahles auf die Ver-

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bindungaste lie 16 dec Markstückes konzentriert wird. Weitere Einzelheiten des Elelujronenstrahlschweißgerätes, welche sich hier verwenden lasser, sind in dem US-Patent Kr. 3 218 431 (DAS ) beschrieben»

Das Werkstück 14, das zusammengeschweißt werden soll, besteht aus zwei Stücken 37 und 38, die swischen den Backen eines Schraubstockes 39 sun Stumpfschweißen gegeneinandergepreßt sind, dadurch daß eine Gewindestange 40, die durch eine Gewindebohrung in eine feste Backe 42 ragt und mit einer bewegbaren Backe 43 dos Schraubstockes 39 in Verbindung steht, gedreht wird. Der Schraubstock ist auf einem Arbeitstisch 44 angebracht, der sich auf einer Kugellaufbahn 45 befindet, da-13it das Werkstück 14 beim Schweißen in Längsrichtung der Verbindung 16 mit Hilfe einer Antriebsvorrichtung (nicht dargestellt) vorgeschoben werden kann. In ähnlicher V/eise können mechanische Vorrichtungen (nicht dargestellt) vorgesehen sein, durch die das Werkstück senkrecht auf der Vorschubrichtung Verschiebbar ist, damit der Strahl entweder vor oder während des Schweißens auf die Verbindung des Werkstückes ausgerichtet werden kann. Vorzugsweise bestehen der Schraubstock 39, der Arbeitstisch 44 und die Kugellaufbahn 45 aus Metall, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, damit sie an dem Gehäuse 18 elektrisch geerdet werden können.

Eine leitende Platte 46 befindet sich unter dem Werkstück 14 auf der dem Elektronenstrahl abgewandten Seite, die alle Elektroden, die durch die Verbindung 16 des Werkstückes hindurchgehen, auffängt. Die Platte 46 kann aus irgendeinem leitenden Werkstoff bestehen, und sie besteht vorzugsweise aus einem Stück rostfreiem Stahl, dessen Dicke größer als 0,15 cm ist, damit sowohl eine hohe Leitfähigkeit für die Elektronen, die darauf auftreffen, gegeben ist, als auch eine ausreichende inechanische Festigkeit, so daß Beschädigungen vermieden werden, die dadurch entstehen könnten^ daß geschmolzenes Metall während des Schweißens von der Verbindung herabtropft. Zwei iso-

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lierte Durchführungen 47 dienen als mechanische Stützen für die Platte 46,und sie haben auch den Zweck die Platte elektrisch von dem Werkstück zu isolieren, wobei die Platte gleichzeitig in einem zweckmäßigen Abstand von der Unterseite des Werkstückes gehalten ist. Der Abstand zwischen dem Werkstück und der Platte ist im allgemeinen nicht kritisch, jedoch ist eine Entfernung von mindestens O„6 cm vorzuziehen, damit mögliche Kurzschlüsse von der Platte zu dem Werkstück durch geschmolzene Metalltropfen verhindert werden. Jeder nicht verunreinigte, elektrische Isolierstoff kann als Isolierdurchführung verwendet werden, weil die Wärme in dem Schweißgerät an den Stellen der Durchführungen kein ernst= haftes Problem darstellt, jedoch wird Keramik wegen seiner mechanischen Festigkeit im allgemeinen vorgezogen«,

Las Auftreffen der Elektronen auf der Platte 46 wird durch irgendeine Anzeigevorrichtung verstärkt und gemessen, bei= spielsweise durch einen Oszillographen 50, der über einen Gleichstromverstärker 51 und ein 50™ bzw» 60-Hz-Pilter 52 mit der Platte 46 verbunden ist, welches kleine Kondensatoren 53 und 54 von beispielsweise 100 Mikrofarad oder weniger enthält, die mit den entgegengesetzten . Enden eines abgeschirmten Kabels 55 verbunden sind, wodurch irgendwelche Wechselstromkomponenten, beispielsweise Rauschen, die sich in dem Ausgangssignal der Platte 46 befinden, nach Masse abgeleitet v/erden. Die Elektronen, die durch die Verbindung 16 hindurchtreten und auf der Platte 46 auftreffen, erzeugen einen Gleichstrom, der über einen Widerstand 56 nach Masse fließt, wobei dieser Widerstand einen relativ hohen Wert hat, beispielsweise 1 Megohm, damit ein Spannungssignal von relativ großer Amplitude an dem Widerstand entsteht. Der kombinierte ohmsche Widerstand der Durchführungen sollte mindestens hundertmal so groß sein wie der ohmsche Widerstand des Widerstandes 56, damit die Gleichstromverluste durch die Durchführungen 47 möglichst gering sind. Eine Hülse 57 ist um jede Durchführung 47 gelegt und ragt von der leitenden Platte 46 bis auf einige

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hundertstel Millimeter zu dem Schraubstock 39, damit ein möglicher Niederschlag einer elektrisch leitenden Schicht auf den Isolatoren durch den Dampf,der beim Schweißen entsteht, verhindert wird.

Bei Betätigung dos Schweißgerät es wird die Verbindung 16 vor dem Schweißen in dem Elektronenstrahl dadurch ausgerichtet, daß das Werkstück 14 zwischen die Backen des Schraubstockes 39 geklemmt wird und in einer Stellung auf den Arbeitstisch 44 gesetzt wird, in der der Elektronenstrahl mit der Verbindung 16 des Werkstückes sichtbar ausgerichtet ist, wobei das Arbeitsstück durch eine Öffnung 58 in der oberen Seitenwand des Arbeitskammergehäuses 18 beobachtet wird. ",Ίβηη die leitende Platte 46 unter den Werkstück auf der dem Strahl abgewandten Seite angeordnet worden ist, dann wird der Strahl mit geringer Energie erregt, beispielsweise mit weniger als 5Oyo der Energie, und der Arbeitstisch wird durch besondere Vorrichtungen (nicht dargestellt) in einer Richtung senkrecht zur Vorschubrichtung des Werkstückes verschoben, damit ein sichtbares Signal auf dem Oszillographen 50 entsteht, weiches dann am größten ist, wenn der Strahl mit der Verbindung ausgerichtet ist. Der Arbeitstisch wird dann blockiert, urn eine weitere Bewegung in der Richtung zu verhindern, woraufhin die Intensität des Strahles so erhöht wird, daß er schweiße,und das Werkstück wird dann in Längsrichtung zur Verbindung 16 verschoben, damit eine fehlerfreie, tiefreichende Schweißnaht in dem Werkstück entsteht,

Andererseits läßt sich eine Querbewegung des Werkstückes 14 relativ zu dem Elektronenstrahl durch eine Ablenkspule 59 erreichen, die dann wenn sie von einer einstellbaren Stromquelle 60 entsprechend erregt wird, den Elektronenstrahl senkrecht zur Vorschubrichtung des Werkstückes bewegt. Wenn das Ausgangesignal der Stromquelle 60 auf einen Wert eingestellt ist, bei dem ein maximales Ausgangssignal von der Platte 45 auf dem Oszillographen 50 erscheint, dann kann mit dem Schweißen begonnen werden, dadurch daß der Strahl auf die beim

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Schweißen notwendige intensität gebracht wird.

Im allgemeinen ist die Intensität des Signales, welches von der Platte 46 abgegeben wird, sowohl abhängig von der Intensität des Strahles, der auf die Werkstückverbindung 1o auftrifft und auch davon, wie die gegenüberliegenden Seiten, die die Verbindung bilden, zusammenpassen. Zulässige erhöhte Stellen, die auf den Seiten nach einer maschinellen Bearbeitung stehen bleiben, ergeben einen Abstand von 0,025 bis 0,05 in la längs des größeren Teiles der Verbindung 16, und der dadurch gebildete Zwischenraum kann von einem 20-Xilovolt-Elektronenstrahl von 47 Milliampere leicht durchdrungen werden, so daß ein Ausgangsstrom von etwa δ χ 10 Ampere in dem Widerstand 56 von 1 Megohm entsteht. Die Spannung an dem Widerstand 56, die "beispielsweise B Millivolt beträgt, kann ohne weiteres von den bekannten 50 bis 60 Dezibel-Verstärkern verstärkt werden, so daß ein sichtbares Signal an dem Oszillographen 50 entsteht. Wenn wegen des Zusammenpassens der gegenüberliegenden Seiten des Werkstückes 14 oder wegen de3 Energiepegels des Elektronenstrahls ein geringeres Ausgangssignal an der Platte 46 entsteht, dann können Verstärker mit größeren Verstärkungsfaktoren oder aber auch mehrere Verstärkerstufen hintereinander verwendet werden.

3er Elektronenstrahl wird vorzugsweise periodisch für kurze Zeitabschnitte parallel zur Vorschubrichtung des Werkstückes abgelenkt, wie es in Pig. 2 dargestellt ist, danit die Verbindung 16 des Werkstückes beim Schweißen mit dem Elektronenstrahl ausgerichtet wird, und es wird dabei eine Rückkoppiungsschaltung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, zum Ausrichten des Strahles verwendet. Wegen der Schweißpfütze 61, die beim Schweißen entsteht, können die Elektronen nicht auf der leitenden Platte 46 auftreffen, und folglich muß der Elektronenstrahl, damit man ein lesbares Signal von der leitenden Platte erhält und Änderungen der Stellung längs der Verbindung 16 gegenüber einer ausgerichteten Stellung des Elektro-

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nonstrahloG, bevor er a eine Schweißetellung erreicht, fests tollen /rann, bis vor die Schweißpfütze abgelenkt werden, beispielsweise lang ^ ei ν-^ ""freies 62 und zwar um eine Strecke, die so groß ist, daß der ütrahl aus der Pfütze herausläuft, di;rch α ic Elektronen für einen genügend langen Zeitabschnitt auf der leitenden Platte auftreffen können, wodurch ein lesbares Signal von der Platte abgegeben wird= Dies läßt sich dadurch erreichen, daß eine Schaltung nach Fig. 3 verwendet wird, bei der ein Hochfrequenzgenerator 63, beispielsweise ein 5O-Kilohertz-Generator, mit einem Modulator 65 verbunden ist, durch den die Gleickstromerregung der Katode 12 Moduliert wird, dadurch daß der Hochfrequenzgenerator 63 von einem Pulsgenerator 67 intermittierend angesteuert wird. Andererseits kann der Hochfrequenzgenerator mit den Steuerelektroden der Elektronenkanone verbunden sein, wobei diese Elektroden zur Strahlsteuerung verwendet werden.

Das Ausgangssignal des Pulsgenerators 67 wird noch einer Stromquelle 66 für Längsablenkung zugeführt, welche mit einer Ablenkspule 69 verbunden ist, durch die der Strahl dann parallel zur Längsrichtung der Verbindung 16 abgelenkt wird, beispielsweise in Richtung des Werkstückvorscliubpf eiles 70 in Pig. 2, wenn der Katode 12 ein hochfrequenzraoduliertes Signal zugeführt wird. Da der Durchmesser der Schweißpfütze 61 gewöhnlich 0,3 cm beträgt, muß die Vorwärtsablenkung des Elektronenstrahles in Vorschubrichtung der Schweißnaht größer als 0,45 cm sein, damit die Elektronen durch den Seil der Verbindung 16 vor der Schweißpfütze sicher hindurchtreten.

Durch den der Katode 12 zugeführten modulierten Impuls entsteht an der Katode ein Elektronenstrahl, der eine Hochfrequenzkomponente enthält, die durch eine abgestimmte Schaltung 70 beim Schweißen ohne weiteres vom Rauschen und anderen üblichen In-'uerferenzen getrennt werden kann. Wenn der modulierte Elektronenstrahl durch die Ablenkspule 69 für Längsrichtung von der Cchv/eißpfütze 61 nach vorne abgelenkt wird, dann trifft er auf

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der Platte 46 auf und erzeugt ein Signal, welches von der Schaltung 70, welche auf die Frequenz des Hochfrequenzgenerators 65 abgestimmt ist, gleichgerichtet wird. Gleichrichter richten das Ausgangesignal der abgestimmten Schaltung 70 gleich, bevor es durch eine Intogrierschaltung 72 integriert wird, damit ein Signal proportional zur Intensität des modulierten Elektronenstrahles entsteht, welcher auf der Platte auftrifft, (welches proportional zur Ausrichtung des direkt davor angrenzenden Teiles der Verbindung 16 ist, welches sich in Vorschubrichtung des Werkstückes befindet). Ein Gleichstromverstärker 74 verstärkt das Ausgangs signal der Integriern«haltung 72 und führt es einem Oszillographen 73 zu, welcher ein sichtbares Signal erzeugt, welches die nichtkorrigierte Ausrichtung des vor der Schweißpfütze liegenden Teiles der V.'erkstüekverbindung gegenüber dem Schweißstrahl darstellt. Die Amplitude des Ausgangssignales auf dem Oszillographen 73 ist am größten, wenn der Strahl genau ausgerichtet ist, und folglich läßt sich durch eine kontinuierliche Einstellung von Hand mit Hilfe der Stromquelle 60 der Elektronenstrahl so ablenken, daß das dargestellte Signal am größten wird.

Der Elektronenstrahl wird durch die Stromquelle 68 vorzugsweise weniger als 5',ί innerhalb eines Schweißzykluo abgelenkt, damit dun y.n schweißende Werkstück nicht abkühlt, v/obci eine Abtast- zur Schweißzeit von 1 zu 50 oder weniger im allgemeinen erwünscht ist. Polglich sollte das Ausgangssignal des Pulsgenerators 67, welches sowohl die Ablenkung des Strahles mit Hilfe der Ablenkspule 69 anstößt, als auch die Verbindung des Hochfrequenzgenerators 63 mit der Katode 12 bewirkt, eine Pulsdauer von 5$ oder weniger der Pulsgeneratorperiode betrafen.

Wio man an Hand von Pig. 2 erkennt, kann der hochfrequenzmodulierte Elektronenstrahl von der Katode 12 durch die Verbindung 16 hindurchgehen und auf der Platte 46 auftreffen, wenn die Verbindung 16 in Vorschubrichtung des Werkstückes ausge-

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richtet ist (und deshalb unter dem abgelenkten Elektronenstrahl liegt). Wenn jedoch die Verbindung 16 relativ zur Ablenkrichtung des Elektronenstrahles um einen Winkel versetzt ist, dann wird ein Teil des abgelenkten Siektronenstrahles durch das Werkstück aufgefangen, und die Amplitude des auf dem Oszillographen 73 dargestellten Signales vermindert sich, wobei die Verminderung des Signales allgemein proportional zur WinkelVersetzung der Verbindung gegenüber der Vorschubrichtung des Werkstückes 14 ist. Die Beobachtung des Signales auf dem Oszillographen 73 ermöglicht eine Einstellung der Stromquelle 60 von Hand, wodurch der Elektronenstrahl derart abgelenkt werden kann, daß er mit der Verbindung, die geschweißt werden soll, ausgerichtet bleibt.

V.'enn auch die Schaltung nach Pig. 3 eine zukünftige Abweichung des Elektronenstrahles von der Verbindung des Werkstückes anzeigt, so daß eine Korrektur möglich ist, so wird jedoch die Abweichung nicht elektrisch angezeigt. Eine automatische Richtungssteuerung des Elektronenstrahles läßt sich jedoch erreichen, dadurch daß man eine geeignete Schaltung, beispielsweise die Schaltung nach Pig. 4-, verwendet. Bei dieser Schaltung wird das verstärkte Signal der abgestimmten Schaltung 70 nicht wie in Pig. 3 sichtbar dargestellt, sondern einer Strahleinstellschaltung 75 zugeführt. Bei dieser Schaltung bewirkt die erste Ablenkung des hochfrequenzmodulierten Elektronenstrahles durch die Ablenkspule 69, die durch eine gleichzeitige Zufuhr eines Pulses der Triggerschaltung 17 mit mehreren einstellbaren Pulsen, beispielsweise einem Hewlett Packard Pulsgenerator Modell 214A, zu dem Pulsgenerator 67 und der Stromquelle 68 für Längsablenkung angestoßen wird, daß Elektronen auf der leitenden Platte 46 auftreffen und zwar proportional zur Ausrichtung der Verbindung 16 gegenüber dem Ablenkstrahl, wobei dann die an der Platte 46 entstehende Hochfrequenzkomponente des Signales durch die abgestimmte Schaltung 70 isoliert wird. Las Ausgangssignal der abgestimmten Schaltung 70 wird in Schaltungen 71, 72 und 74

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gleichgerichtet, integriert und verstärkt und dann einer Torschaltung 76, beispielsweise einer bistabilen Kippschaltung, zugeführt, die von der Triggerschaltung 17 in einen bestimmten Zustand eingestellt ist, so daß ein Ausgangssignal an der Klemme 77 entsteht, welches einer Verzögerungsschaltung 73 zugeführt wird. La die triggerschaltung 17 sowohl mit dem Pulsgenerator 67 und der Torschaltung 76 verbunden ist, wird ein Signal der hochfrequenzmodulierten Stromquelle synchron mit dem Beginn der Betätigung der Strahleinst el !schaltung 75 zugeführt. Bei einer anfänglichen vollständigen Ablenkung des Elektronenstrahles, beispielsv/eise einer Vorwärtsablenkung längs des Pfades 62 und einer Rücklaufablenkung zur Schweißpfütze 61, wird ein Pulsgenerator 79 durch die Triggerschaltung 17 erregt, so daß er ein Siganl erzeugt, welches einer Spule 59 zugeführt wird,'wodurch der Strahl um einen festen Betrag, beispielsv/eise insbesondere um weniger als 0,25 ram,während eines Zeitabschnittes einer einzigen vollständigen Elektronenstrahlablenkung durch die Ablenkschaltung 68 senkrecht zu der Werkstückvorschubrichtung abgelenkt wird. Der Strahlablenkvorgang wird dann wiederholt, wobei der abgelenkte Strahl längs eines etwas versetzten Pfades relativ zur ersten Ablenkung geführt wird. Entsprechend wird ein zweites Ausgangssignal der Triggerschaltung der Ablenkschaltung 68 für Längsrichtung zugeführt, wodurch der abzulenkende Strahl parallel zur Längsrichtung der Verbindung 16 abgelenkt wird, und der Hochfrequenzanteil des modulierten Signales, welches durch auf der Platte 46 auftreffende Elektronen erzeugt wird, wird wiederum durch die abgestimmte Schaltung 70 isoliert. Nachdem das Signal durch die Gleichrichter 71 gleichgerichtet ist und durch die Integrierschaltung 72 integriert ist, wird es verstärkt und der Torschaltung 76 zugeführt, die durch die Triggerschaltung getriggert wird, wodurch sie sich in einer Arbeitsstellung befindet, die der Stellung der Schaltung während der ersten Ablenkung des Strahles entgegengerichtet ist. Polglich entsteht durch den in Längsrichtung abgelenkten modulierten

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!elektronenstrahl ar; d>:c Ausgangsklercine 80 der Torschaltung ein Signal, welches einem ISirigang einer Vergleichsschaltung zugeführt ν/ir ei. Da ü Aus ja ngs signal eier torschaltung 76 wahrend der ersten Ablenkung des noch nicht abgelenkten Strahles wird zu dieser Zeit über eine Verzögerungsschaltung 7c ebenfalls der Vergleichsschaltung 81 zugeführt, wodurch an der Vergleichsschaltung ein Ausgangs impuls entsteht, der den Unterschied zwischen den beiden Signalen, die der Vergleichsschaltung zugeführt werden, anzeigt, d.h. der die Ausrichtung der Verbindung 16 :;,it dem Strahl während der ersten noch nicht verschobenen Ablenkung und der darauffolgenden verschobenen Ablenkung anzeigt. Das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung til wird dann einer Verzögerungsschaltung 36 zugeführt, welche eine Verzögerungszeit; von beispielsweise 0,1 Sekunden aufweist, die lang genug ist, daß die Schweißsteile an einen Ort längs der Verbindung wandern kann, wo die Ausrichtung bereits bestimmt war, beispielsweise zum Mittelpunkt des Pfades 62, bevor das Signal einen) Pehlersignalgenerator o2 zugeführt wird, der für eine veränderliche Stromquelle 83 (beispielsweise eine Xatodenfolgeschaltung), die rait den Ablenkspulen y.) verbunden ist, eine Korrekturspannung abgibt. Folglich macht die Schaltung gemäß Pig. A zwei oder mehr Ablenkungen des Klekironenstrahles notwendig, beispielsweise eine nichtverschobene Anfangsablenkung, damit man ein Signal erhält, welches die Größe der erforderlichen Verschiebung anzeigt und mindestens eine darauf folgende verschobene Ablenkung, damit man ein Signal erhält, welches die erforderliche Richtungskorrektur anzeigt.

Um thermische Veränderungen des Werkstückes während einer Strahlablenkung zu verhindern, sollte die Strahlablenkgenohv/indigkcit relativ zur Vorschubgcschwindigkoit des V/erkijtuckes 14 unter dem Elektronenstrahl groß sein. Im allgemeinen iüt eine Strahlablenkgeschwindigkeit erforderlich, die mindestens das Hundertfache des Arbeitstisches 44 ist, damit eine möglichst geringe Veränderung des Werkstückes

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während der Strahlausrichtung sichergestellt ist. Entsprechend sollte eine Ablenkung des letzten Strahles direkt nach der Versetzung des Strahles durch den Pulsgenerator 79 geschehen. Polglich muß die Ablenkschaltung 68 für Längsrichtung zwei dicht nebeneinander liegende Ablenkirapulse relativ kurzer Zeitdauer, beispielsweise von einer Millisekunde, erzeugen, die durch einen etwa hundertfach größeren Zeitraum, beispielsweise 200 Millisekunden, von den nächsten beiden Strahlablenkimpulsen getrennt sind.

Um eine automatische Strahlausrichtung ohne Hochfrequenzmodulation der Stromquelle für die Elektronenkanone zu erhalten, kann man eine vergrößerte Auslenkung von der Verbindung 16 vorsehen, damit man von der Platte 46 ein Signal abnehmen kann, welches leicht verglichen und ohne weiteres vom Rauschen isoliert werden kann. In Pig. 5 ist eine bevorzugte Art der Strahlablenkung dargestellt, mit der diese Wirkung erzielt werden kann, und es wird dabei der Strahl von der Verbindung 16 in einer Richtung senkrecht zur Vorschubrichtung des Werkstückes abgelenkt, wobei die Ablenkrichtung relativ zur Verbindung 16 für die Vorwärtsablenkung relativ zur Rückkehrablenkung verschieden ist. Der Strahl wird zunächst links der Verbindung während einer Vorwärtsablenkung 04 um eine Strecke abgelenkt, die kleiner als der Strahldurchmesser ist, und er wird dann während einer Rückkehrablenkung 85 rechts der Verbindung um einen gleichen Betrag abgelenkt, damit zwei Vergleichssignale entstehen, durch die die Richtung der Neigung der Verbindung relativ zum Strahl bestimmt werden kann. Da maximale Strahlintensität, die durch das Bezugszeichen 86 in Pig. 6 gekennzeichnet ist, nicht bei einer vollständig ausgerichteten Verbindung während der Ablenkungen des verschobenen Strahles auftritt, werden Fehler durch die Ränder der Verbindung (welche häufig nicht gleichmäßig dick sind) verhindert, und man erhält eine große Änderung im Ausgangssignal der Platte 46, wenn sich die Stelle der Verbindung relativ zu dem scharf geneigten Teil der Intensitätskurve ändert. Während

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der Vorwärtsablenkung 84 des Strahles, wobei der Strahl auf der linken Seite in Fig. 5 abgelenkt wird, trifft ein Teil des Strahles mit einem Bruchteil der Intensität des Zentrums 86 des Ablenkstrahles zunächst auf der Verbindung 16 auf, und wenn der Strahl dann parallel zur Vorschubrichtung des Werkstückes abgelenkt wird, vermindert sich die Intensität des Elektronenstrahles, der auf der Verbindung 16 auftrifft, mit der Winkelneigung der Verbindung gegenüber einer ausgerichteten Stellung. Nach der Ablenkung um eine genügend große Strecke, beispielsweise um 0,3 cm oder mehr, wird der Elektronenstrahl nach rechts verschoben, und dann längs eines Pfades 85 abgelenkt, wodurch er zu der Schweißpfütze 61 wieder zurückkehrt. Während der Rücklaufablenkung tritt die Stelle 88 mit teilweiser Strahlinxensität im allgemeinen dann auf, wenn die Verbindung ausgerichtet ist. La jedoch die Verbindung 16 in Pig. 5 stark nach rechts geneigt ist, treten Stellen von größerer Intensität, beispielsweise am Punkt 86, zu verschiedenen Zeiten durch die Verbindung 16 auf, so daß die Intensität der auf der Platte 46 auftreffenden Elektronen während der Rücklaufablenkung stark vergrößert ist.

Eine verschobene Vorwärts- und Rücklaufelektronenstrahlablenkung kann man dadurch erreichen, daß man eine Schaltung verwendet, 'wie sie in Pig. 7 dargestellt ist, bei der ein Rechteckgenerator 91 rait einer elektromagnetischen Spule 59 verbunden ist, die den Strahl während der Strahlablenkung parallel zur Vorschubrichtung des Werkstückes nach rechts und links verschiebt. Das Ausgangssignal des Rechteckgenerators 91 wird auch zur Ansteuerung eines Wobbeigenerators 92, beispielsweise eines Zägezahngenerators, verwendet, der ein Ausgangssignal erzeugt, welches der Ablenkspule 69 für Längsrichtung zugeführt wird, wodurch der Strahl parallel zur Vorschubrichtung dec Werkstückes abgelenkt wird. Die Periode des Ausgangssignalcc doa Zägczahngenerators 92 ist gleich der Periode des Recht-Gckftonoratora 91, wodurch eine Vorwärtsablenkung dec Strahles während der positiven Halbwolle des Rechteckgenerator 91 er-

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reicht wird, wenn der Strahl nach links verschoben ist und wodurch der Strahl in die nichtverschobene Stellung während der negativen Halbwelle des Rechteckgenerators 91 zurückkehren kann, wenn der Strahl nach rechts gegenüber der V/erkstückvorschubrichtung verschoben ist. Das Ausgangssignal dc3 Rechteckgenerators 91 wird nach kurzer Verzögerung in einer Verzögerungsschaltung 90, bis der Strahl die.geschmolzene Zone der Schweißnaht passiert hat, auch dazu verwendet, einen in Ruhestellung offenen Schalter 93 und eine Torschaltung 94 zu betätigen, wodurch die Tätigkeit der Einstellschaltung 95 eingeleitet wird.

Während der Vorwärtsablenkung 84 des Elektronenstrahles, beispielsweise während der positiven Halbwelle des Rechteckgenerators 91» geht ein Teil des Elektronenstrahles durch die Verbindung 16 hindurch und erzeugt an dera Widerstand 56 eine Gleichspannung, die proportional zur Intensität des Elektronenstrahles ist, der auf der leitenden. Platte 46 auftrifft» Die Spannung, die an dera Widerstand 56 erzeugt wird, wird durch den Verstärker 51, den Schalter 93 und die Torschaltung 94, beispielsweise einem monostabilen Kippschalter, der in seinen Anfangs zustand eingestellt ist, einer Integrierschaltung 96 für Vorwärtsablenkung zugeführt, welche dazu dient, die Ausgangssignale der Platte 46 während der Zeitabschnitte der Vorwärtsablenkung des Strahles zu summieren^ wodurch eine Ausgangsspannung 98 gemäß Pig. 8 entsteht. Am Ende einer Vorwärtsablenkung schaltet die negative Halbwelle des Rechteckgenerators 91 den Elektronenstrahl nach rechts gegenüber einer ausgerichteten Stellung,und der Strahl wird dann zur Schweißpfütze 61 längs des Pfades 85 zurückgeführt. Kit den Beginn der Rücklaufablenkung schaltet die Torschaltung in ihre andere Stellung, und die Elektronen, die auf der Platte 46 auftreffen, v/erden über den Schalter 93 und die Torschaltung 94 einer Rücklaufintegrierschaixung 99 zugeführt, so daß ein Spannungssignal 100 erzeugt wird, welches proportional zur Zahl der Elektronen ist, die auf der Platte 4<5

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während der Rücklaufablenkung auftreffen. Das Ausgangssignal der Hücklaufintegrierschaltung 99 wird dann in einer Vergleichsschaltung 101, beispielsweise einer Subtraktionsschaltung, mit dem Ausgangssignal der Vorlaufintegrierschaltung verglichen, welches in einer Verzögerungssehaltung 102 um den Zeitabschnitt verzögert worden ist, der für die Rücklaufablenkung des Elektronenstrahles erforderlich ist, und beispielsweise 100 Millisekunden beträgt, wodurch dann ein Ausgangssignal von der Vergleichsschaltung 101 abgegeben wird, welches proportional zur Differenz der Amplituden zwischen den Signalen ist, die von den Integrierschaltungen bei Vorlauf- und Rücklaufablenkung des Elektronenstrahles erzeugt v/erden. Das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 101 wird dann einer einstellbaren Verzögerungsschaltung 103 zugeführt, deren Aufgabe darin besteht, das korrigierende Ablenksignal lang genug zu verzögern, damit die Schweißpfütze an die Stelle wandern kann, wo der Vergleich zwischen den beiden Werten der Schaltung nach Pig. 8 gemacht worden ist. Diese Verzögerungszeit hängt von der Ablenkgeschwindigkeit des Arbeitstisches oder üer Elektronenkanone in einem bewegbaren Elektronenkanonenaysteni ab und entspricht etwa dem Mittelpunkt des rechteekförmigen Ablenkpfades nach Fig. 5. Diese Verzögerungszeit beträgt in einem typischen Pail 0,1 Sekunde, wenn die Ablenkgeschwindigkeit eine Bogensekunde pro Sekunde ist, und das Rechteck in Pig. 5 ist ein Zentimeter lang.

Das Pehlersignal der Verzögerungsschaltung 103 wird schließlich einer veränderlichen Stromquelle 104 (beispielsweise einer Katodenfolgeschaltung) zugeführt, die mit der Ablenkspule 59 verbunden ist. Wegen der großen Änderungen des Ausgangssignals, die man direkt durch verlängerte Ablenkungen des stark geneigten Teiles des Elektronenstrahles in Richtung einer ausgerichteten Verbindung erhält, wie es beispielsweise in Pig. 5 dargestellt ist, während die Ausgangssignale, die von den Integrierschaltungen 96 und 99 erzeugt werden, in einfacher Weise verglichen v/erden, wobei man ein Korrektursignal zur Elektro-

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nenstrahlausrichtung erhält, ohne daß der Elektronenstrahl hochfrequenzmoduliert sein muß. Bei der Schaltung nach Pig. wird zwar das Ausgangss-ignal des Rechteckgenerators 91 dazu verwendet, den Sägezahngenerator 92, den Schalter 93 und die Torschaltung 94 in Betrieb zu setzen, jedoch wird man "bei einer praktischen Schaltung käuflich verfügbare Triggerschaltungen mit mehreren einstellbaren Pulsen, beispielsweise die Schaltung 17 nach Pig. 4, verwenden, um diese Schaltungen anzusteuern, da es dann leichter ist, die relative Phase der einzelnen Triggerpulse einzustellen.

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Patentansprüche

.yElektronenstrahlschweiiagerät mit einer Quelle zur Erzeugung eines Elektronen-fahles zum Schweißen von gerissenen V/erkstücken und mit einer Fokussiereinrichtung zum fokussieren des Elektronenstrahles auf dem Riß des Werkstückes, dadurch gekennzeichnet , daß eine leitende Platte (46) dicht neben dem V/erkstück (37,38) angeordnet und von ihm isoliert ist, daß die leitende Platte (46) in einer axialen Ebene des Elektronenstrahles auf der in Strahlrichtung dem Werkstück (37,38) abgewandten Seite angeordnet ist und dadurch die durch den Riß (16) in dem Werkstück (37,36) hindurchgehenden Elektronen auffängt, und daß eine Empfangsvorrichtung (50,51,52,53) zur Bestimmung der Intensität der aufureffenden Elektronen auf der leitenden Platte (46) mit dieser verbunden ist.

2. ^leKtronenstrahlschweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine eine Relativ bewegung zwischen dem Strahl und dem Werkstück (37,38) erzeugende Antriebsvorrichtung den Elektronenstrahl gegenüber der:. Werkstück (37,38) im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung, des Risses (16) in dem Werkstück (37,38) ablenkt.

3. Elekfcronenstrahlschweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangavorrichtung mit einer Rückkopplungsvorrichtung zum Ausrichten des Elektronenstrahles gegenüber dem Riß (16) in dem Werkstück (37,38) verbunden ist.

4. Elektronenstrahlschweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Riß (16) die Verbindung ist, die zwischen zwei Werkstücken besteht, die stumpfgeschweißt werden sollen.

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5. Elektronenstrahlschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

. daß die Ablenkvorrichtung den Elektronenstrahl relativ zu dem Werkstück (37,38) mit Unterbrechungen ablenkt.

6. Elektronenstrahlschweißgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl in einer Richtung parallel zur Vorschubrichtung des Werkstückes (37,38) gegenüber dem Elektronenstrahl während des Schweißens abgelenkt wird.

7. Slektronenstrahlschv/eißgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stranl·= ablenkungen senkrecht gegenüber der Vorschubriehtmng ura einen Abstand versetzt sind, der geringer ist als die Breite des Strahles auf dem Werkstück (37,38) und daß die Richtung in der der Elektronenstrahl versetzt ist, für eine Vorwärtcablenkung (84) des Elektronenstrahles anders ist als für eine Rücklaufablenkung (85) des Elektronenstrahles.

8. Verfahren zur Einstellung eines Elektronenstrahls auf einen Riß in einem zu schweißenden Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß der Riß durch den Elektronenstrahl in einer Richtung abgetastet wird, in der mindestens ein Teil des Elektronenstrahles auf dem Riß auftrifft, daß die durch den Riß hindurchgehenden Elektronen aufgefangen werden und daß der Elektronenstrahl relativ zu dem Werkstück in eine Stellung gebracht wird, in der die meisten Sie let ro nen durch den Riß hindurchgehen.

9. Verfahren zur Einstellung eines Elektronenstrahls nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl von einer Schweißstelle nach vorne abgelenkt wird und daß die Elektronenstrahleinstellung verzögert wird bis der abgetastete Teil des Risses zu einer Schweißstelle wird.

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