DE2128127A1 - Verfahren zur Ermittlung der opti malen Fokussierung eines Elektronen Strahls einer Schweißmaschine mittels Ana lyse der durch die Schweißstelle emit tierten Infrarotstrahlung - Google Patents
Verfahren zur Ermittlung der opti malen Fokussierung eines Elektronen Strahls einer Schweißmaschine mittels Ana lyse der durch die Schweißstelle emit tierten InfrarotstrahlungInfo
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Description
Europäische Atonigemeinschaft (EURATOM)
Europazentrum Kirchberg (Luxemburg)
Verfahren zur Ermittlung der optimalen Fokussierung eines
Elektronettstrafals einer Sofaweißmas chine mittels Analyse der
durch die Schweißstelle emittierten Infrarotstrahlung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Ermitteln der optimalen Fokussierung eines Elektronenstrahls
an der Schweißstelle.
Bekannt sind mehrere Methoden, bei welchen versucht wird, die
Fokussierung eines Elektronenstrahls an der Schweißstelle zu;
bestirnten. Sie sind begründet auf der Messung der Brennweite
des ElefctreH&nstrahis, ohne die Bedingungen an der Schweißstelle
zu beachten und ihrer genauen Einstellung hinsichtlich der
Oberfläche des Schweißgutes.
Die bekannteste und älteste Methode besteht darin, an einem
Probe— oder Musterstück von gleicher Zusammensetzung wie das
zu schweißende Werkstück mit der gewählten Spannung, Intensität,
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Geschwindigkeit- und dem gewählten Schweißabstand eine
Schweißnaht zu bilden. Dabei werden die durch das schmelzende
Metall freigesetzten Dämpfe in dem Elektronenstrahl ionisiert,
der sich färbt und sichtbar wird. Man wirkt auf den die
ele^trQm&gaetischßxi Fokussierungsspulen durchf ließenden Strom
ein, um dien Brennpunkt des Elektronenstrahls auf die Oberfläche
des Sehweißgutes zu bringen.
Es ist bel£ann,tr daß dieser Brennpunkt bei der Schweißung, nicht
demjenigen entspricht, äen man für den gleichen Elektronenstrahl
ohne die Durchführung der Schweißung erhält, d.h. wenn sich die
ElektroBen, bewegen, ohne auf Schweißgut zu treffen, das sie
zum Schmelzen; bringen können.
AuJSejrdear ist diese Methode empirisch und ungenau.
Bekannt isst die Methode, die darin besteht, die Veränderungen
von in einem Faraday-Käfig hei der Verfinsterung des Elektronenstrahls,
normalerweise auf seiner Achse f durck »ine Scheibe
oder durch die Kante eines, abgeschrägten Werkstücks und beim
Streichen edaesr O;Sz4Hi er enden Strahls über eine Blende mit
einem kleineren Purehmesser als dem des Elektronenstrahls
absorbierten Strom zu registrieren»
Ebenfalls: bekannt ist die Methode, die darin besteht, die
Veränderung des; Stromes zu messen, der in einem durch den
Elektronenstrahl normalerweise auf seiner Achse hindurchgehenden
WoIframdraht fließet. Der Brennpunkt ist erreicht, wenn die
zum Abdecken oder zum Durchqueren des. Strahls notwendige Zeit
minimal ist.
Eine weitere Methode ist auf dem Prinzip begründet, daß ein
durch ein Schweißgut (oder Werkstoff ttberhaunt) abgefangener
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Elektronenstrahlquerschnitt eine Rontgenstrahlenquelle ist,
deren Bild sich auf einer in einer photographischen Kamera angeordneten empfindlichen Platte erzielen läßt. Das Bild
des kleinsten Durchmessers entspricht dem Brennpunkt des Elektronenstrahls.
Keine der vorgenannten Methoden kann als völlig zufriedenstellend
angesehen werden. Die visuelle Regelung ist empirisch und ungenau. Sie läßt sich für Metalle, die bei Ionisierung ihrer
Dämpfe intensive Lichtstrahlen emittieren, und für alle Metalle, wenn die Leistung des Elektronenstrahls einen für
jedes von ihnen charakteristischen kritischen Wert übersteigt, nicht verwenden.
Die auf Messung des elektrischen Stromes beruhenden Methoden haben den Nachteil, daß sie komplizierte, empfindliche und
aufwendige Geräte benötigen. Dieser Mangel wird für eine industrielle Anwendung rasch behebbar, wenn die Leistung des
Elektronenstrahls 5 kW übersteigt. Was die AufZeichnungsmethode
des Bildes der Rontgenstrahlenquelle anlangt, so weist sie die vorgenannten Mangel auf, zu denen noch die aus der diskontinuierlichen
Art der Registrierung, aus der Ungenauigkeit der Abmessungen des auf dem Film fixierten Bildes und aus seiner Entwicklungsverzögerung
herrührenden Mängel noch hinzukommen.
Alle beschriebenen Vorrichtungen, außer der empirischen visuellen Regelung, ermöglichen das Einstellen des Brennpunktes des durch
das Schmelzen des Schweißgutes nicht gestörten Elektronenstrahls. Während des Schweißvorgangs ändern die Metallionen die Bewegungsfcahn
der Elektronen und erzeugen eine Einengung des Elektronenstrahls
in Nähe der Oberfläche des sctamelzflüssigen Metalls:
der Brennpunkt wird verlegt und sein Durchmesser verringert.
Diese Änderungen sind nicht beeinflußbar, ihre Amplitude und
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ihre Reproduzierbarkeit sind nicht bekannt. Folglich bringen
die beschriebenen Methoden eine zusätzliche Gefahr von Zufallfehlern hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der Form und der
Abmessungen der Schweißnähte und -fugen ein.
Eine weitere Methode besteht in der Messung des das Schweißgut durchfließenden Elektronenstromes durch Untersuchen seiner
-Veränderungen in Abhängigkeit vom Fokussierungsstrom, wobei sich charakteristische Punkte bestimmen lassen, die es ermöglichen,
Schlüsse hinsichtlich der Fokussierung des Elektronenstrahls zu ziehen. Der Nachteil dieser Methode besteht darin,
daß das Schweißgut von der übrigen Anlage elektrisch isoliert werden muß, was bei industriellen Ausführungen nicht leicht ist,
wenn das Werkstück im Inneren der Kammer, in der das Vakuum herrscht, beweglich sein muß.
Auch die Untersuchungsmethode der theoretischen Fokussierung muß genannt werden. Wenn man alle Parameter des Problems, d.h. die
Spannung zur Beschleunigung der Elektronen, der Abstand Werkstück-Elektronenkanone, die Intensität des Elektronenstrahls
usw., kennt, kann man durch Anwendung der Formeln der elektronischen Optik entweder durch eine Rechenmaschine
oder durch herkömmliche Methoden den Wert des Fokussierungsstromes
errechnen. Diese letztgenannte Methode hat den Nachteil, daß sie rein theoretisch ist. Sie ist nicht direkt und man
kann also die Ungenauigkeit der Parameter des Problems nicht berücksichtigen.
Zum Beheben der vorgenannten Mangel wird erfindungsgemäß ein
neuartiges Meßverfahren für die optimale Fokussierung eines Elektronenstrahls vorgeschlagen.
Nach einem Merkmal der Erfindung wird der Elektronenstrahl auf ein Probestück gerichtet, dann die Intensität der durch den
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Mittelpunkt des Auftreffens des Elektronenstrahls auf das
Probestück emittierten Infrarotstrahlung gemessen und der Brennpunkt in Abhängigkeit von dieser Intensität ein- bzw.
nachgestellt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Brennpunkt
beim Bestehen eines einzigen Höchstwertes -dieser Intensität auf die maximale Intensität und beim Bestehen von zwei Höchstwerten
auf den zwischen den beiden Höchstwerten liegenden relativen Mindestwert eingestellt.
"Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens -μ
besteht aus einer Photozelle, deren spektrale Empfindlichkeit im Infrarotbereich liegt und deren Empfindlichkeχtsachse zum
Mittelpunkt des Auftreffens des Elektronenstrahls auf das
Probestück hin orientiert ist, und aus einem Verstärkungs— und
Anzeigeinstrument für das von der Photozelle ausgesandte
Signal.
Das Verfahren nach der Erfindung beruht auf der Messung der
Intensität der an der ElektronenstaßstelIe emittierten Infrarotstrahlung
.
Das Prinzip, auf dem das Verfahren nach der Erfindung beruht,
ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und wird i-m
folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Pig. 1 einen Schnitt durch die gesamte Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung,
, Fig. 2 den vorerwähnten drehbaren Zylinder und
Fig. 3 Diagramme, die die Veränderungen der durch die Photozelle
in Abhängigkeit vom Fokussierungsstrom für verschiedene
Sohweißleistungen gelieferten Spannung veranschauliche«.
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Mach dem Kirehhaffsehen Gesetz ist der von der Schweißstelle
emittierte S^rahlungsenergieflußt
φ - κ
warin: K = ÄtosorptioKskoeff izient j
S= Emissionsfläche;
T= absolute Temperatur ist.
S= Emissionsfläche;
T= absolute Temperatur ist.
Bie "Strahlung wird durch eine Photozelle, beispielsweise eine
Sirtzium~PhQt?aze:lle, gemessen, deren spektrale Hochstempfindlichkeit
im Infrarot here ich liegt. Diese Photozelle (Fig. i) wird am Eöde eines auf die Schweißzone gerichteten, ein Infrarotfilter
3 Md «in Schutzglas 4 tragenden Rohrs angebracht. Das
zu schweißende ¥erkstüek 5 ist in der Mitte eines Rohrs oder
Gehäuses 6 angeordnet, das an seinem Außenumfang außer dem
Rotor .2 frte ElefctroneitlEaHone 7 aufweist. In der ¥and des
Rahrs 6 i?st ein nicht dargestelltes Beotractotungsf ens^er vorgesehen.
Das zu seiifceißeade Werkstiiok kann ein Musters/tlick sein
mit idfßüix ;giie:ie:hen !Abmessungen und aus dem gleichen ^Werkstoff
wie das eigentliche Verkstm-ek aäer es kann das eigentliche
Werkstüesk selbst sein»
Der durch die Achse des Elektroinenstrahls und die oprfciscfae
Achse Auf tref^f stelleHPhotozelle gebildete ¥inkel J¥ muß klein
sein, um es der Photazelle zu erniögliehen, eine ausreichende
Strahlungsmenge aufzunehmen.
¥ar denaus Schutzglas und Infrarotfilter bestehenden System
ist ein Licht ze rhaefeer 8 angeordnet. JJr besteht aus einem
umlaufenden Zylinder 9, der parallel zur Achse des Rohrs 2
verlauf ende Längsnuten 10 aufweist. Die Anzahl der Nuten kann
unterschiedlich sein. Die Umlaufgeschwindigkeit des Zylinders, die van seiner Greomefcrie abhängig ist, ist so berechnet, daß
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sie das Einfangen der Metallteilchen ermöglicht unter Belassung
des freien Durchgangs fur die aus dem Elektronenstoß herrührenden
Photonen.
Diese Geschwindigkeit muß der nachfolgenden Bedingung entsprechen:
(2) I r Σ
worin; V = Umfangsgeschwindigkeit des Zylinders
ν = Geschwindigkeit der Metallteilchen
1 α Länge der Nuten oder des Zylinders
d = Breite der Nuten ist.
Der Vorteil des umlaufenden Zylinders liegt in seiner doppeSen
Verwendung: Zerhacken der Infrarotstrahlung zum Speisen der
Photozelle im Impulsbetrieb, da die durch die Photozelle gelieferten elektrischen Spannungsimpulse sich leichter verstärken
lassen als ein Gleichspannungssignal, sowie Verhindern jeglicher Metallisierung der Photozelle.
Die durch die Photozelle gelieferten Spannungsimpulse il
werden durch den einer Verstärkungsregelung 13 parallelgeschalteten
Verstärker 12 verstärkt, worauf sie bei 14 gleichgerichtet
und bei 15 integriert werden, bevor sie am Galvanometer i6 abgelesen werden.
Die. vom Schirm eines (nicht dargestellten) Oszillographen unmittelbar
abpnotographi-erten Diagramme nach Fig. 3 zeigen die Veränderungen der durch die Photozelle 1 in Auswirkung des
Fokussierungsstromes für unterschiedliche Schweißleistungen gelieferten Spannung. Für unter 1000 ¥ (Diagramme A und B)
liegende schwache Leistungen nimmt die Emission der Infrarot- ·
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— O —
strahlung, d.h. die Temperatur der Oberflache der Schweißung
mit dem Konzentrationsgrad des Elektronenstrahls zu, wobei sie für eine maximale Konzentration durch einen Höchstwert
geht. Es genügt also, den diesem Höchstwert entsprechenden Fokussierungsstrom ausfindig zu machen, um eine maximale
Leistungsdichte zu erhalten.
Oberhalb von 1700 ¥ ist eine Abflachung des Gipfels der Kurve unter Bildung eines relativen Mindestwertes zu beobachten
(Diagramm C), der sich mit Zunahme der Schweißleistung (2500 W) verstärkt, Diagramme D, E und F. Die Erfahrung zeigt, daß die
optimale Fokussierung diesem Mindestwert entspricht. Man erhält dann eine nadeiförmige, schmale und tiefe Schweißfuge.
Die den beiden Maxima entsprechende Schweißung ist zwar breiter aber weniger tief.
Die Erklärung dieses Phänomens kann folgende sein:
Durch lineares Verändern des Fokussierungsstromes nimmt der Brennfleck ab,, geht durch einen Mindestwert und nimmt dann
wieder zu. Am Anfang ist dieser Brennfleck erheblich, die
Auftrefflache groß und die Leistungsdichte gering, wobei die
Temperatur des Werkstückes etwas ansteigt,
Durch Steigerung der Fokussierung gibt der Elektronenstrahl seine Energie an eine kleinere Fläche ab, .wobei sich ein mit
flüssigem Metall gefüllter Krater bildet und die Oberflächentemperatur ansteigt, bis sie einen Höchstwert erreicht.
Wenn die Fokussierung optimal wird. d.h. wenn die Leistungsdichte
ihren Höchstwert erreicht, verdampft der Elektronenstoß
das Metall, um einen Krater zu bilden, der sich mit einem Film aus flüssigem Metall überzieht. Dann geht der Elektronen-
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strahl durch diesen Film hindurch, ohne an ihn viel Energie abzugeben, und trifft auf den Boden der Aushöhlung» wobei
er an dieser Stelle seine Energie in Form von Wärme freigibt.
Das Eindringen nimmt zu, wobei die Energie immer weiter von der
Oberfläche entfernt konzentriert wird. Die Erfahrung zeigt, daß
die Oberfläche des Metalls dann weniger Wärme freisetzt, wobei
wahrscheinlich auch eine Veränderung des Faktors K eintritt
und ein Temperaturminimum festzustellen ist. Danach nimmt
der Brennfleck wieder zu, wobei sich wieder das vorerwähnte
Phänomen mit seiner Erklärung zeigt.
Es ist normal, daß das Phänomen eine durch die Mitte der in
den Diagrammen nach Fig.' 3 deutlich sichtbaren Vertiefung
verlaufende Symmetrieachse aufweist.
Die optimale Fokussierung wird mit Hilfe eines Galvanometers
mit beweglichem Gehäuse ohne Teilung in absolutem Wert ermittelt, das nach Verstärkung, Gleichrichtung und Integrierung der
durch die Photozelle 1 gelieferten Spannungsimpulse mit einem
entsprechenden Signal gespeist wird. Es genügt für Sehweißungen
bei geringer Leistung an dem Galvanometer einen Höehstausschlag
oder für Sehweißungen bei höh&rer Leistung einen Mindestausschlag
zwischen zwei Maxima zu bestimmen.
Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist regelbar» ua
das Anpassen der Meßkette an den absoluten Pegel des durch die
Photozelle zugeführten Signals zu ermöglichen, wobei bei Verwendung einer Phptozelle die Signalspitze etwa zwischen 0,4 mV
und 0,4 V schwanken kann.
Das vorstehend beschriebene Meßverfahren nach der Erfindung
ist genau, einfach, schnell und leicht durchführbar.
- 10 109850/1371
Wie aus Fig. 1 ersiehtlioh, ist die erforderliche Apparatur .
in ihren Abmessungen sehr klein, wobei ihre Anbringung an der
Außenseite des Gehäuses die Arbeit in der Kammer nicht stört,
was bedeutet, daß diese Lösung für industrielle Verwendungs—
fflöglichkeiten besonders geeignet ist.
fflöglichkeiten besonders geeignet ist.
Patentansprüche
ι
- 11
10905αΜ 37 t
Claims (5)
- Patentansprüchel.JVerfahren zum Fokussieren des Elektronenstrahls einer elektronischen Schweißmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl auf ein Probestück (5) gerichtet, dann die Intensität der durch den Mittelpunkt des Auftreffens des Elektronenstrahls auf das Probestück emittierten Infrarotstrahlung gemessen und der Brennpunkt in Abhängigkeit von dieser Intensität ein- bzw. nachgestellt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt beim Bestehen eines einzigen Höchstwertes dieser Intensität auf die maximale Intensität (Fig. 35 A,B) und beim Bestehen von zwei Höchstwerten (Fig. 3 j Dj E, F) auf den zwischen diesen beiden Höchstwerten liegenden relativen Mindestwert eingestellt wird.
- 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch und 2, gekennzeichnet durch eine Photozelle (i), deren spektrale Empfindlichkeit im Infrarotbereich liegt und deren Empflichkeitsachse zum Mittelpunkt des Auftreffens des Elektronenstrahls auf das Probestück (5) hin orientiert ist, und durch ein Verstärkungs- (12, 13) und Anzeigeinstrument (l6) für das von der Photozelle (l) ausgesandte Signal (il).
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet, daß ein Zerhacker (8) den Infrarotstrahl gegenüber der Photozelle (i) periodisch unterbricht.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerhacker (8) die Form eines umlaufenden Zylinders (9)109850/1371 "- 12 -aufweist, dessen Außenumfang in Richtung auf die Zelle (l) verlaufende Längsnuten (lO) aufweist, wobei die Geometrie des Zylinders und der Nuten so gewählt ist, daß sie von dem Elektronenstoß herrührende Metallteilchen einfangen.Pa/Sch - 22 6531098 5 0/1371Leerseite
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