DE2821028A1 - PROCEDURE AND EQUIPMENT FOR BEAM POSITION CONTROL IN A CARGO BEAM BLASTING DEVICE - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS

. DVETER - ΒΕΖΟ'.ί) O O O 1. DVETER - ΒΕΖΟ'.ί) O O O 1

ING. ΓΕΤΕΚ SCHÜTZ / Ö Z IING. ΓΕΤΕΚ SCHÜTZ / Ö Z I DIPL. ING. WOLFGANG HEDSLEHDIPL. ING. WOLFGANG HEDSLEH

MARIA-THBKKSIASTItASHK 13 POBTFArB 8βΟ·ΜMARIA-THBKKSIASTItASHK 13 POBTFArB 8βΟ · Μ

D-8OOO MUENCHEN 8βD-8OOO MUNICH 8β

TKLKPON Οββ/4ΤΟβΟ« 4TCS 1·TKLKPON Οββ / 4ΤΟβΟ « 4TCS 1

TKLKX assessTKLKX assess TKLKORAMM SOMBIZTKLKORAM SOMBIZE

12. Mai 1978 10090/Dr.v.B/Ro.May 12, 1978 10090 / Dr.v.B / Ro.

Steigerwald Strahltechnik GmbH, MünchenSteigerwald Strahltechnik GmbH, Munich

Verfahren und Einrichtung zur Strahlpositionsregelung in einem Ladungsträgerstrahlgerät.Method and device for beam position control in a charge carrier beam device.

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zum Regeln der Ist-Lage eines Strahlauftreffbereiches bezüglich eines Soll-Strahlauftreffbereiches und zur Regelung der Relativlage zwischen dem Ist-Strahlauftreffbereich und einer Bezugsposition oder Vorrichtung in einem Gerät zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem hochenergetischen Ladungsträgerstrahl, wie einem Elektronenstrahl-Schweißgerät, Es kann die Relativlage zu mehreren Bezugspositionen geregelt werden, die z.B. jeweils einen Punkt auf einer Zusatzmaterialzuf übungsvorrichtung, eines Strahlerzeugungssystems oder einer Schweißbadunterstützungsvorrichtung darstellen.The present invention relates to methods and devices for regulating the actual position of a beam impact area with regard to a target beam impact area and for regulating the relative position between the actual beam impact area and a reference position or device in a device for processing a workpiece with a high-energy charge carrier beam, like an electron beam welding machine, the relative position to several reference positions can be regulated E.g. one point each on an additional material feeding device, a beam generating system or a weld pool support device.

Unter dem Begriff "Strahllage" oder "Strahlposition" soll im Falle eines im wesentlichen stationären Strahles die mittlere Strahlachse oder im Falle eines hin- und herbewegten "gewedelten" ,Strahls die sich im zeitlichen Mittel ergebende mittlere Strahlachse oder -lage verstanden werden.Under the term "beam position" or "beam position" should be the center beam axis in the case of an essentially stationary beam or in the case of a reciprocating beam "wagged", the beam resulting in the mean over time mean beam axis or position are understood.

809846/1023809846/1023

Bei der Bearbeitung eines Werkstückes mit einem hochenergetischen Ladungsträgerstrahl, wie einem Elektronen- oder Ionenstrahl muß unabhängig von Störgrößen, wie elektrischen oder magnetischen Streufeldern, die den Strahl ablenken, und unabhängig von Toleranzen der Form, Orientierung und Bewegung des Werkstücks bezüglich einer Strahlquelle gewährleistet werden, daß der Strahl auf einem gewünschten Soll-Strahlauftreffbereich auftrifft und zweitens müssen oft gewisse Hilfsvorrichtungen, wie Vorrichtungen zum Zuführen eines Zusatzmaterials, wie eines Fülldrahtes, in einer vorgegebenen Relativlage zum tatsächlichen Strahlauftreffbereich gehalten werden.When machining a workpiece with a high-energy charge carrier beam, such as an electron or The ion beam must be independent of disturbance variables, such as electrical or magnetic stray fields that deflect the beam, and are guaranteed regardless of tolerances of the shape, orientation and movement of the workpiece with respect to a beam source, that the beam strikes a desired target beam impact area and, secondly, certain auxiliary devices are often required, such as devices for feeding an additional material, such as a filler wire, in a predetermined relative position to the actual one Beam impact area are kept.

Die beiden oben erwähnten Probleme hängen eng miteinander zusammen, da bei Änderung der Position des Strahles bezüglich des Werkstückes, z.B. bei der Verfolgung einer etwas unregelmäßigen Stoßfuge zwischen zwei durch den Strahl miteinander zu verschweißenden Werkstückteilen, auch die Position der Hilfsvorrichtung geändert werden muß, um sie in der gewünschten Lage bezüglich des Strahlauftreffbereiches zu halten. Die Lösung dieses Problems wird dadurch erschwert, daß moderne technische Ladungsträgerstrahlgeräte, wie Elektronenstrahlschweißmaschinen, mit Strahlleistungen von 100 kW und mehr arbeiten, so daß in der Nähe der durch den Strahl bearbeiteten Werkstückzone stark erschwerte Umgebungsbedingungen herrschen.The two problems mentioned above are closely related because when changing the position of the beam with respect to of the workpiece, e.g. when following a somewhat irregular butt joint between two by the beam welded workpiece parts, also the position of the auxiliary device must be changed in relation to them in the desired position of the jet impact area. The solution to this problem is made more difficult by the fact that modern technical charge carrier beam devices, like electron beam welding machines, work with beam powers of 100 kW and more, so that in the Proximity of the workpiece zone processed by the beam made very difficult Environmental conditions prevail.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Einrichtungen anzugeben, in denen eine vorgegebene Lagebeziehung zwischen einem Ladungsträgerstrahl, einem durch diesen zu bearbeitenden Bereich eines Werkstückes (Soll-Strahlauf treffbereich oder kurz "Soll-Bereich") und einer Einrichtung oder Hilfsvorrichtung, die mit dem tatsächlich vom Strahl ge-r troffenen Bereich des Werkstückes (Ist-Strahlauftreffbereich oder kurz "Ist-Bereich") aufrechterhalten werden kann. Im Rahmen dieser Aufgabe sollen ferner neue und verbesserte Fühl- bzw.The present invention is based on the object of specifying methods and devices in which a predetermined positional relationship between a charge carrier beam, an area of a workpiece to be processed through this (target beam impact area or "target area" for short) and a device or auxiliary device that can be maintained with the area of the workpiece actually hit by the beam (actual beam impact area or "actual area" for short). As part of this task, new and improved feeling and

809846/1023809846/1023

Meßverfahren und -vorrichtungen angegeben werden, die die jeweils herrschenden Lagebeziehungen genau und zuverlässig festzustellen vermögen.Measurement methods and devices are specified, each of which able to determine the prevailing positional relationships precisely and reliably.

Zur Lösung dieses Problems werden verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Feststellung der Ist-Lage des Strahls bezüglich des Soll-Strahlauftreffbereiches einerseits und der Relativlage zwischen dem Ist-Strahlauftreffbereich und einer Bezug sposition, wie einer Hilfsvorrichtung oder einem Strahlerzeugungssystem angegeben, die einzeln oder auch in Kombination verwendet werden können.To solve this problem, various methods and devices for determining the actual position of the beam with respect to the target beam impact area on the one hand and the relative position between the actual beam impact area and a reference position, such as an auxiliary device or a beam generating system which can be used individually or in combination.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Relativlage des Strahls bezüglich des Soll-Strahlauftreffbereiches durch elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise Röntgenstrahlung, bestimmt, während die Relativlage des Strahls bezüglich einer Bezugsposition, wie einer Hilfsvorrichtung (z.B. einer Zusatzmaterialzuführung svorrichtung) dadurch bestimmt wird, daß die Position des Strahls in Bezug auf eine Meßelektrodenanordnung festgestellt wird, die wiederum in einer vorgegebenen, bekannten Lagebeziehung bezüglich der Bezugsposition, z.B. einem Geräterahmen oder einer Halterung für die Hilfsvorrichtung steht.According to the present invention, the relative position of the beam with respect to the target beam impact area is determined electromagnetic radiation, preferably X-rays, determined while the relative position of the beam with respect to a Reference position, such as an auxiliary device (e.g. an additional material feed s device) is determined in that the position of the beam in relation to a measuring electrode arrangement is determined, which in turn is in a predetermined, known positional relationship with respect to the reference position, e.g. a device frame or a holder for the auxiliary device.

Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Elektronenstrahls, wie Elektronenstrahlschweißen, und die Erfindung wird daher im folgenden am Beispiel des Elektronenstrahlschweißens mit Elektronenstrahlschweißgeräten beschrieben.The preferred field of application of the invention is the machining of workpieces by means of an electron beam, such as electron beam welding, and the invention is therefore illustrated below using the example of electron beam welding Electron beam welding equipment described.

In den Zeichnungen sind beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.In the drawings, for example, embodiments of the invention are shown.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Werkstückes, das unter Zuführung eines Zusatzmaterial-1 shows a schematic perspective illustration of a workpiece, which with the addition of an additional material

809846/1023809846/1023

drahtes mit einem Elektronenstrahl geschweißt wird, um eine typische Situation darzustellen, bei der die Erfindung Anwendung finden kann;wire is welded with an electron beam to represent a typical situation in which the invention is applied Can be found;

Fig. 2 eine Schnittansicht in einer Ebene II-II der Fig. 1;Fig. 2 is a sectional view in a plane II-II of Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittansicht in einer Ebene III-III der Fig. 1, also senkrecht zu einer gerade verschweißten Stoßfuge;Fig. 3 is a sectional view in a plane III-III of 1, that is, perpendicular to a butt joint that has just been welded;

Fig. 4A eine schematische Darstellung einer Elektronenstrahlschweißmaschine mit einer Regeleinrichtung, die ein Röntgenmeßsystem zur Bestimmung der Relativlage des tatsächlichen Auftreffbereiches eines Elektronenstrahls bezüglich einer durch den Strahl zu verschweißenden Stoßfuge enthält;4A is a schematic representation of an electron beam welding machine with a control device that uses an X-ray measuring system to determine the relative position of the actual Impact area of an electron beam with respect to a through contains the beam to be welded;

Fig. 4B eine mehr ins einzelne gehende Darstellung eines Meßsystems der in Fig, 4A dargestellten Art;Figure 4B is a more detailed illustration of a measuring system of the type shown in Fig, 4A.

Fig. 5 eine Schrägansicht auf die Oberfläche des Werkstückes in der Blickrichtung eines Röntgenstrahlungssensors des Meßsystems gemäß Fig. 4A;FIG. 5 shows an oblique view of the surface of the workpiece in the viewing direction of an X-ray sensor from FIG Measuring system according to FIG. 4A;

Fig. 6A einen Schnitt in einer Ebene VI-VI der Fig. 5;6A shows a section in a plane VI-VI of FIG. 5;

Fig. 6B eine graphische Darstellung des Verlaufes eines elektrischen Referenzsignales in der Regeleinrichtung gemäß Fig. 4Λ;6B shows a graphic representation of the course of an electrical reference signal in the control device according to FIG Fig. 4Λ;

Fig. 6C eine Impulsfolge, durch die in der Regeleinrichtung gemäß Fig. 4A die Ist-Lage des Strahls dargestellt wird;6C shows a pulse sequence by means of which the actual position of the beam is represented in the control device according to FIG. 4A;

Fig. 7A, B und C Darstellungen entsprechend Fig. 6A, B bzw. C für den Fall, daß der Strahl nicht genau auf eine zu verschweißende Stoßfuge zentriert ist;7A, B and C representations corresponding to FIGS. 6A, B and C for the case that the beam is not exactly centered on a butt joint to be welded;

809846/1023809846/1023

kr -kr -

NiNi

Fig. 8 eine Teilansicht einer Abwandlung des in Fig. 4A und 4B dargestellten Meßsystems;Fig. 8 is a partial view of a modification of the measurement system shown in Figs. 4A and 4B;

Fig. 8A einen Schnitt in einer Ebene VIII-VIII der Fig. 8;8A shows a section in a plane VIII-VIII of FIG. 8;

Fig. 9A und 9B Schnittansichten von Teilen einer zu verschweißenden Werkstückanordnung;9A and 9B are sectional views of parts of a workpiece arrangement to be welded;

Fig. IO ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, die bei einer Abwandlung der Regeleinrichtung gemäß Fig. 4A verwendet werden kann;Fig. IO is a circuit diagram of a circuit arrangement, the can be used in a modification of the control device according to FIG. 4A;

Fig. 11 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Abwandlung der vorher beschriebenen Röntgenmeßmethode;11 is a schematic illustration for explaining a modification of the X-ray measuring method described above;

Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Systems zur Durchführung der anhand von Fig. 11 erläuterten Meßmethode;FIG. 12 shows a schematic representation of a system for carrying out the measuring method explained with reference to FIG. 11; FIG.

Fig. 13 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufes von elektrischen Signalen, die in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 12 vorkommen;13 shows a representation of the course over time of electrical signals which are used in the circuit arrangement according to FIG Fig. 12 occur;

Fig. 14 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teiles einer bevorzugten Meßeinrichtung zum Bestimmen der Relativlage eines Elektronenstrahls bezüglich fester Bezugskoordinaten bzw. bezüglich eines aus einer Stoßfuge bestehenden Soll-Strahlauf treffbereiches;14 shows a schematic perspective view of part of a preferred measuring device for determining the relative position of an electron beam with respect to fixed reference coordinates or with respect to a target beam path consisting of a butt joint meeting area;

Fig. 15 eine schematische Draufsicht auf ein Meßsystem der in Fig. 14 dargestellten Art;Fig. 15 is a schematic plan view of a measuring system of the type shown in Fig. 14;

Fig. 16 eine schematische Darstellung einer weiteren Abwandlung des in Fig. 14 dargestellten Meßsystems; und16 shows a schematic representation of a further modification of the measuring system shown in FIG. 14; and

809846/1023 ORIGINAL INSPECTED809846/1023 ORIGINAL INSPECTED

Fig. 17 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung, die für die Einrichtung gemäß Fig. 16 verwendet werden kann.FIG. 17 shows a schematic illustration of a circuit arrangement which is used for the device according to FIG. 16 can.

Die Materialbearbeitung mit Ladungsträgerstrahlen, z.B. das Schweißen, Bohren, Fräsen, Härten, Umschmelzen usw. mit einem Ladungsträgerstrahl, insbesondere Elektronenstrahl ist bekannt und braucht daher nicht im einzelnen erläutert zu werden, Fig. 1 zeigt eine typische Situation in einer Elektronenstrahlschweißmaschine, die nicht im einzelnen dargestellt ist. Die Elektronenstrahlschweißmaschine enthält ein Strahlerzeugungssystem 30 (Elektronenkanone), welche einen Elektronenstrahl 10, z.B. mit einer Beschleunigungsspannung von 150 kV und einer Energie bis zu 100 kW und darüber liefert. Der Strahl 10 ist auf eine übertrieben breit gezeichnete Stoßfuge 12 zwischen zwei miteinander zu verschweißenden Metallplatten 14 und 16 gerichtet. Der Strahl wird im allgemeinen periodisch quer zur Stoßfuge abgelenkt ("gewedelt") werden und erzeugt ein Schweißbad 18 aus geschmolzenem Werkstückmaterial und Füll- und/oder Zusatzmaterial 20, das in Form eines Drahtes oder Stabes durch eine geeignet angeordnete Düse 22 in das Schweißbad eingeführt wird. Das Werkstück 14-16 wird bezüglich des Strahls 10 längs der Stoßfuge 12 bewegt, so daß das Schweißbad 18 entlang der Stoßfuge wandert und nach dem Erstarren eine Schweißnaht 24 bildet.Material processing with charge carrier beams, e.g. welding, drilling, milling, hardening, remelting, etc. a charge carrier beam, in particular an electron beam, is known and therefore does not need to be explained in detail, Fig. 1 shows a typical situation in an electron beam welding machine, which is not shown in detail. the Electron beam welding machine contains a beam generating system 30 (electron gun), which generates an electron beam 10, e.g. with an acceleration voltage of 150 kV and a Provides energy up to 100 kW and above. The beam 10 is on an exaggerated wide drawn butt joint 12 between two metal plates 14 and 16 to be welded together. The beam is generally periodic across the Butt joints are deflected ("wagged") and creates a weld pool 18 from molten workpiece material and filler and / or Additional material 20, which is introduced into the weld pool in the form of a wire or rod through a suitably arranged nozzle 22 will. The workpiece 14-16 is moved with respect to the beam 10 along the butt joint 12, so that the weld pool 18 along the Butt joint migrates and forms a weld seam 24 after solidification.

Für das Entstehen einer einwandfreien Schweißnaht ist es erforderlich, daß eine vorgegebene Lagebeziehung zwischen dem Strahl 10, der Stoßfuge 12 und der das Zusatzmaterial in das Schweißbad einführenden Düse 22 aufrechterhalten wird. Insbesondere muß die von dem gewedelten Strahl getroffene Zone des Werkstücks (Ist-Strahlauftreffbereich) bezüglich der Stoßfuge 12 (Soll-Strahlauftreffbereich) zentriert gehalten werden und der Fülldraht 20 soll mit einer bestimmten OrientierungFor the creation of a perfect weld, it is necessary that a predetermined positional relationship between the jet 10, the butt joint 12 and the nozzle 22 introducing the filler material into the weld pool is maintained. In particular, the zone of the workpiece hit by the wavy beam (actual beam impact area) must be with respect to the butt joint 12 (target beam impact area) must be kept centered and the filler wire 20 is said to have a certain orientation

809846/1023809846/1023

- r Al - r Al

bezüglich des Strahls 10 in das Schweißbad 18 eingeführt werden.be introduced into the weld pool 18 with respect to the beam 10.

Wegen der insbesondere bei großen und dicken Werkstücken ohne übermäßigen Aufwand unvermeidbaren Ungenauigkeiten der die Stoßfuge 12 bildenden Werkstückränder und/oder magnetischen und/oder elektrischen Streufeldern, die den Strahl aus seiner normalen, geraden Bahn ablenken, ist es in der Praxis nicht möglich, einen vorgegebenen Bearbeitungsweg des Strahles bezüglich des Werkstückes durch Vorjustieren oder Vorprogrammieren der Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem Werkstück einzuhalten. Die Lage des Strahls bezüglich des zu bearbeitenden Bereiches muß daher bestimmt und etwaige Abweichungen von einer gewünschten Lagerelation müssen auf irgendeine Weise ausgeregelt werden.Because of the unavoidable inaccuracies of the, especially with large and thick workpieces without excessive effort Butt joint 12 forming workpiece edges and / or magnetic and / or electrical stray fields that the beam from his deflect normal, straight path, it is not possible in practice to use a predetermined processing path of the beam of the workpiece by pre-adjusting or preprogramming the relative movement between the beam and the workpiece to be observed. The position of the beam in relation to the area to be processed must therefore be determined and any deviations from a desired position relation must be regulated in some way.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird die Lage des Strahls 10 bezüglich des Werkstücks 14-16 durch optische Strahlung, vorzugsweise Röntgenstrahlung, bestimmt und etwaige Abweichungen von einer Soll-Position werden durch Ablenken des Strahls kompensiert. Hierauf wird weiter unten noch näher eingegangen werden. Die Strahlablenkung kann durch zwei Paare elektromagnetischer Ablenkspulen 26-26 und 28-28 bewirkt werden, die längs der Strahlbahn beabstandet sind, und der Strahl kann durch eine solche doppelte Ablenkung bezüglich der Stoßfuge zentriert gehalten werden, wie es in Fig. 1 gestrichelt und in Fig. 3 dargestellt ist. Bei einer solchen Strahlablenkung folgt die den Zusatzmaterialdraht 20 abgebende Düse der nicht näher dargestellten Zusatzmaterialzuführungsvorrichtung der durch die Strahlablenkung bewirkten Verlagerung des Schweißbades jedoch nicht, da die Zusatzmaterialzuführungsvorrichtung, zu der die Düse 20 gehört, im allgemeinen bezüglich einer Grundplatte 23 der Schweißmaschine ruht oder mit dem Strahlerzeugungssystem mechanisch verbunden ist.According to a feature of the invention, the position of the beam 10 with respect to the workpiece 14-16 is determined by optical radiation, preferably X-rays, and any deviations from a desired position are compensated for by deflecting the beam. This will be discussed in more detail below. The beam deflection can be effected by two pairs of electromagnetic deflection coils 26-26 and 28-28 spaced along the beam path, and the beam can be kept centered with respect to the butt joint by such a double deflection, as shown in phantom in FIG. 1 and in FIG Fig. 3 is shown. With such a beam deflection, the nozzle of the additional material feed device (not shown in detail) does not follow the displacement of the weld pool caused by the beam deflection, since the additional material feed device to which the nozzle 20 belongs generally rests with or with respect to a base plate 23 of the welding machine Beam generating system is mechanically connected.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird daherAccording to a further aspect of the invention, therefore

die Ist-Lage des Strahls 10 bezüglich einer Referenzposition the actual position of the beam 10 with respect to a reference position

809846/1023809846/1023

bestimmt, z.B. bezüglich eines Punktes der Grundplatte 23 oder des Strahlerzeugungssystems 30, und damit bezüglich der Zusatzmaterialzuf ührungsvorrichtung, so daß diese nachgeführt werden kann. Vorzugsweise wird für diesen Zweck ein Lagefühler, der eine Elektrodenanordnung enthält, verwendet und eine etwaige Abweichung wird durch Nachführen der Düse 22 bzw. der ganzen Zusatzmaterialzuführungsvorrichtung verwendet. Auch das Strahlerzeugungssystem kann nachgeführt werden, wie noch erläutert werden wird.determined, e.g. with respect to a point on the base plate 23 or of the beam generating system 30, and thus with regard to the additional material supply Guide device so that it can be tracked. A position sensor is preferably used for this purpose contains an electrode arrangement, and any deviation is by tracking the nozzle 22 or the whole Additive feeding device used. Also the beam generation system can be adjusted, as will be explained below.

Die Kombination eines Röntgensensors zur Bestimmung
der Relativlage des Strahls bezüglich des zu bearbeitenden
Werkstückbereiches mit einem "mechanischen" Sensor, der eine Fühl- oder Meßelektrodenanordnung enthält, zum Bestimmen der Ist-Lage des Strahlauftreffbereiches bezüglich fester Maschinenkoordinaten oder bezüglich einer Zusatzvorrichtung oder des
Strahlerzeugungssystems, ergibt ein außerordentlich zuverlässiges System, das auch untor den erschwerten Umgebungsbedingungen einwandfrei funktioniert, die herrschen, wenn ein Werkstück mit einem Elektronenstrahl bearbeitet wird, dessen Leistung in der Größenordnung von 100 kW und darüber liegt.The combination of an X-ray sensor for determination
the relative position of the beam with respect to the one to be processed
Workpiece area with a "mechanical" sensor containing a sensing or measuring electrode arrangement to determine the actual position of the beam impact area with respect to fixed machine coordinates or with respect to an additional device or the
Beam generating system, results in an extremely reliable system that works perfectly even under the difficult environmental conditions that prevail when a workpiece is machined with an electron beam whose power is in the order of 100 kW and above.

Im folgenden werden bevorzugte Verfahren und Einrichtungen zur Ermittlung der Ist-Lage des Strahls bezüglich einer durch einen Elektronenstrahl zu verschweißenden Stoßfuge zwischen zwei Werkstückteilen beschrieben. Die Erfindung läßt sich jedoch selbstverständlich auch auf andere Arten der Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Ladungsträgerstrahl anwenden, z.B. Härten, Fräsen, Umschmelzen, Reparaturschmelzen, Gravieren usw., wenn die zu bearbeitende Zone des Werkstücks von den angrenzenden Bereichen unterschieden werden kann. Dies läßt sich notfalls dadurch erreichen, daß man das Werkstück an der betreffenden Stelle mit einer Nut versieht oder ein Material aufbringt, dessen durch den Strahl verursachte Röntgenemission von der der Umgebung unterschieden werden kann.The following are preferred methods and devices for determining the actual position of the beam with respect to a described by an electron beam to be welded butt joint between two workpiece parts. The invention can, however of course also apply to other types of machining of a workpiece with a charge carrier beam, e.g. hardening, Milling, remelting, repair melting, engraving, etc., if the zone to be machined of the workpiece differs from the adjacent Areas can be distinguished. If necessary, this can be achieved by the workpiece in question Grooves or applies a material whose X-ray emission caused by the beam differs from that of the surroundings can be distinguished.

809846/1023809846/1023

/3Γ/ 3Γ

Fig. 4A zeigt stark vereinfacht eine bevorzugte Ausführungsform eines Teilsystems, das dazu dient, einen Elektronenstrahl 10 bezüglich einer Stoßfuge 12 zwischen zwei miteinander zu verschweißenden Metallplatten 14 und 16 zu zentrieren. Der Sensorteil dieses Systems ist in Fig. 4B genauer dargestellt. Das Teilsystem enthält einen Röntgensensor 32 mit einem Abschirmgehäuse 34 aus Blei, in dem sich ein Röntgenstrahlungsdetektor 36, z.B. ein Geiger-Müller-Zählrohr befindet. Das Gehäuse 34 ist mit einem Kollimatorteil 38 versehen, der einen Eintrittskanal für die Röntgenstrahlung bildet, der einen schlitzförmigen Querschnitt hat und dementsprechend ein streifenförmiges Gesichtsfeld 42 (Fig. 5) begrenzt. Der Röntgensensor ist mit der Grundplatte 23 oder dem Strahlerzeugungssystem 30 fest verbunden.4A shows a preferred embodiment in a greatly simplified manner a subsystem that serves to generate an electron beam 10 with respect to a butt joint 12 between two to be welded to center metal plates 14 and 16. The sensor portion of this system is shown in more detail in Figure 4B. The subsystem contains an X-ray sensor 32 with a shielding housing 34 made of lead, in which there is an X-ray detector 36, e.g. a Geiger-Müller counter tube. That Housing 34 is provided with a collimator 38, which forms an entrance channel for the X-ray radiation, the one Has a slot-shaped cross section and, accordingly, a strip-shaped one Field of view 42 (Fig. 5) limited. The X-ray sensor is connected to the base plate 23 or the beam generation system 30 firmly connected.

Das Ausgangssignal des Röntgenstrahlungsdetektors 36 wird einer Regelschaltung 44 zugeführt, die ferner über eine Leitung 46 eine Wechselspannung erhält, die in einer festen Beziehung zu der Spannung steht, die während des Schweißens das Wedeln des Strahles 10 quer zur Stoßfuge 12 steuert. Die Regelschaltung 44 erzeugt auf einer Leitung 48 eine Fehlerspannung, die einer ersten Ablenkvorrichtung 26 direkt und einer zweiten Ablenkvorrichtung 28 über einen Inverter zugeführt wird. Die Ablenkvorrichtungen enthalten jeweils ein Paar von Ablenkspulen, die den Strahl quer zur Stoßfuge 12 abzulenken gestatten, so daß das in der beschriebenen Weise zugeführte Fehlersignal die in Fig. 1 dargestellte Parallelversetzung des Strahles bewirken kann. Eine der Ablenkvorrichtungen kann auch zur Erzeugung der Wedelbewegung des Strahls 10 verwendet werden.The output signal of the X-ray detector 36 is fed to a control circuit 44, which also has a Line 46 receives an alternating voltage which is in a fixed relationship to the voltage generated during welding the waving of the beam 10 transversely to the butt joint 12 controls. The control circuit 44 generates an error voltage on a line 48, which is fed to a first deflector 26 directly and to a second deflector 28 via an inverter. The deflection devices each contain a pair of deflection coils which allow the beam to be deflected across the butt joint 12, so that the error signal supplied in the manner described cause the parallel displacement of the beam shown in FIG can. One of the deflection devices can also be used to generate the waving movement of the beam 10.

Im Betrieb wird der Kanal 40 des Kollimatorteils 38 vorzugsweise auf einen Punkt 52 (Fig. 4A) des Schweißbades 18 gerichtet, der sich innerhalb der Stoßfuge 12 befindet, die in diesem Falle eine gewisse Mindestbreite haben muß, die notfallsIn operation, the channel 40 of the collimator part 38 is preferably at a point 52 (FIG. 4A) of the weld pool 18 directed, which is located within the butt joint 12, which in this case must have a certain minimum width, if necessary

ORIGINAL INSPECTEB 809846/ 1023 ORIGINAL INSPECTEB 809846/1023

4b4b

durch Abstandshalter oder dgl. aufrechterhalten werden kann. Die Wände der Platten 14, 16, die die Stoßfuge 12 begrenzen, bilden in diesem Falle dann einen seitlichen Kollimator für die Röntgenstrahlung, die durch den das geschmolzene Metall treffenden Elektronenstrahl 10 erzeugt wird. Alternativ kann der Röntgenstrahlungssensor 32 auch auf einen Punkt 52' am unteren Ende des Schweißbades 18 gerichtet werden. Schließlich ist es auch möglich, daß Gesichtsfeld 42 (Fig. 5) direkt auf den Strahlauftreffbereich 58 zu legen.Can be maintained by spacers or the like. The walls of the panels 14, 16 that delimit the butt joint 12, in this case then form a lateral collimator for the X-rays that pass through the molten metal impinging electron beam 10 is generated. Alternatively, the X-ray sensor 32 can also point to a point 52 'on lower end of the weld pool 18 are directed. Finally, it is also possible that the field of view 42 (Fig. 5) directly to lay the jet impact area 58.

Im Falle, daß der Röntgenstrahlungssensor auf einen Punkt innerhalb der Trennfuge 12 gerichtet wird, kann eine Röntgenstrahlungsabschirmung 54 (Fig. 4B) vorgesehen sein, die die an der Strahleintrittsfläche 56 des Werkstücks erzeugte Röntgenstrahlung vom Röntgenstrahlungssensor fernhält und diesen außerdem etwas gegen Verschmutzung schützt. Wieder eine andere Möglichkeit besteht darin, den Röntgenstrahlungssensor oder einen zusätzlichen Röntgenstrahlungssensor 32' auf der Strahlaustrittsseite des Werkstücks anzuordnen, wie in Fig. 4A gestrichelt dargestellt ist.In the event that the X-ray sensor is aimed at a point within the parting line 12, a X-ray shielding 54 (FIG. 4B) may be provided, which is generated at the beam entry surface 56 of the workpiece Keeps X-rays away from the X-ray sensor and also protects it somewhat against contamination. Another one again It is possible to use the X-ray sensor or an additional X-ray sensor 32 'on the beam exit side of the workpiece, as shown in phantom in Fig. 4A.

Bei der nun folgenden Beschreibung der Arbeitsweise des Röntgenmeßsystems wird auf die Fig. 6 und 7 Bezug genommen. Beim Schweißen der Schweißnaht 24 wird der Elektronenstrahl periodisch quer über die Stoßfuge 12 abgelenkt (gewedelt), wie in Fig. 6A durch einen Doppelpfeil 58 angedeutet ist. Der Elektronenstrahl 10 erzeugt beim Auftreffen auf das Metall des Werkstückes sowie des Schweißbades 18 Röntgenstrahlung. Da das Gesichtsfeld des Röntgenstrahlungssensors 32 durch den Kanal (der einen Querschnitt von 0,6 χ 10 mm haben kann) auf ein dünnes, bandförmiges Volumen beschränkt ist, dessen Schnitt mit der Werkstückoberfläche durch die gestrichelte Linie 42 in Fig. dargestellt ist, empfängt der Rontgenstrahlungsdetektor 36 nur dann Röntgenstrahlung, wenn der Elektronenstrahl 10 über die In the description of the operation of the X-ray measuring system that follows, reference is made to FIGS. 6 and 7. FIG. When welding the weld seam 24, the electron beam is periodically deflected (waved) across the butt joint 12, as indicated in FIG. 6A by a double arrow 58. The electron beam 10 generates X-rays when it strikes the metal of the workpiece and the weld pool 18. Since the field of view of the X-ray sensor 32 through the channel (which can have a cross section of 0.6 χ 10 mm) is limited to a thin, band-shaped volume, the section of which with the workpiece surface is shown by the dashed line 42 in FIG X-ray detector 36 only x-rays when the electron beam 10 over the

809846/1023809846/1023

Stoßfuge 12 streicht, in den durch sie gebildeten Spalt eindringt und den Punkt 52 des Schweißbades trifft. Wenn die Mittelachse 60 des Strahls bezüglich der Stoßfuge 12 zentriert ist, wie es Fig. 6A zeigt, wird der Röntgenstrahlungsdetektor 36 genau dann einen Ausgangsimpuls 62 liefern, wenn der in der Ablenkvorrichtung 26 oder 28 zum Wedeln des Strahles verwendete Ablenkstrom 64 (Fig. 6B) durch Null geht. Die Regelschaltung kann eine als Transistor dargestellte Torschaltung enthalten, die einen Signaleingang und einen Steuereingang aufweist. Dem Signaleingang wird ein Signal entsprechend dem Ablenkstrom 64 zugeführt während der Steuereingang ein Signal entsprechend den Ausgangsimpulsen 62 erhält. Am Ausgang der Torschaltung entsteht dann eine Signalspannung, die denjenigen Teilen des sinusförmigen Eingangssignals entspricht, die durch die Impulse 62 durchgeschleust werden. Im Falle der in Fig. 6A dargestellten Situation ist die mittlere Ausgangsspannung gleich Null.Butt joint 12 strokes, penetrates into the gap formed by it and hits point 52 of the weld pool. If the central axis 60 of the beam is centered with respect to the butt joint 12, as shown in FIG. 6A, the X-ray detector 36 becomes deliver an output pulse 62 exactly when the one used in the deflection device 26 or 28 to wag the beam Deflection current 64 (Fig. 6B) goes through zero. The control circuit can contain a gate circuit shown as a transistor, which has a signal input and a control input. The signal input becomes a signal corresponding to the deflection current 64 while the control input receives a signal corresponding to the output pulses 62. At the output of the gate circuit arises then a signal voltage which corresponds to those parts of the sinusoidal input signal which passed through the pulses 62 will. In the case of the situation shown in FIG. 6A, the mean output voltage is equal to zero.

Wenn jedoch die mittlere Strahlachse 60 bezüglich der Stoßfuge 12 dezentriert ist, liefert der Röntgenstrahlungsdetektor 36 Ausgangsimpulse 62' (Fig. 7C) die nicht mit den Null-Durchgängen des Ablenkstromes 64 zusammenfallen. Die Torschaltung liefert dann eine von Null verschiedene Fehlerspannung, die zur Erzeugung eines zusätzlichen Stromes in den Ablenkspulen verwendet werden kann, die den Strahl dann wieder auf die Stoßfuge zentrieren.However, if the central beam axis 60 is decentered with respect to the butt joint 12, the X-ray detector delivers 36 output pulses 62 '(Fig. 7C) which do not have the zero crossings of the deflection current 64 coincide. The gate circuit then supplies a non-zero error voltage that is used for Generating an additional current in the deflection coils can be used, which then returns the beam to the butt joint center.

Es war bereits erwähnt worden, daß der Röntgenstrahlungssensor 32 auch auf einen in Fig. 8 dargestellten Fleck 52" gerichtet werden kann, wo der Elektronenstrahl in die Stoßfuge und das Schmelzbad 18 eintritt. Dies ist dann vorzuziehen, wenn die Werkstücke gut zusammenpassen und die Stoßfuge 12 eine sehr kleine oder verschwindende Breite hat. Im allgemeinen ist die Röntgeneinissionsfähigkeit des festen Werkstückmaterials angrenzend an das Schweißbad 18 größer als die der Schmelze im SchweißbadIt has already been mentioned that the X-ray sensor 32 is also aimed at a spot 52 ″ shown in FIG where the electron beam enters the butt joint and the weld pool 18. This is preferable when the workpieces fit together well and the butt joint 12 has a very small or vanishing width. In general, the X-ray emission capability of the solid workpiece material adjacent to the weld pool 18 is greater than that of the melt in the weld pool

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

809846/1023809846/1023

und das Ausgangssignal des Röntgenstrahlungsdetektors hat in diesem Falle eine verhältnismäßig hoho Amplitude bis auf Minima, die auftreten, wenn der Strahl das Schweißbad 18 trifft. Dieses "negative" Impulssignal kann invertiert, geformt und dann in der gleichen Weise verwendet werden, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 erläutert worden ist. Man kann außerdem eine Schulter begrenzter Tiefe an den zusammengefügten Rändern der Werkstückteile 14 und 16 vorsehen, wie es in Fig. 9A und 9B dargestellt ist, so daß in der Strahleintrittsseite des Werkstücks eine Nut 66 begrenzter Tiefe d gebildet wird, die durch den Röntgensensor 32 wahrgenommen werden kann. Auch in diesem Falle wird die Ermittlung der Nut oder Stoßstelle durch eine gewisse Versetzung der Werkstückränder in Richtung der Strahlachse, wie es in Fig. 9B dargestellt ist, nicht wesentlich beeinträchtigt. and the output signal of the X-ray detector in this case has a relatively high amplitude except for minima, which occur when the beam hits the weld pool 18. This "negative" pulse signal can be inverted, shaped and then converted into the can be used in the same manner as explained with reference to Figs. You can also get a Provide shoulder of limited depth at the joined edges of workpiece parts 14 and 16, as shown in Figures 9A and 9B is shown, so that a groove 66 of limited depth d is formed in the beam entrance side of the workpiece, which is through the X-ray sensor 32 can be perceived. In this case too, the groove or joint is determined by a certain offset of the workpiece edges in the direction of the beam axis, as shown in FIG. 9B, is not significantly impaired.

Anstelle des Röntgenstrahlungsdetektors mit dem streifenförmigen Gesichtsfeld kann auch ein Röntgenstrahlungsdetektor mit einem punktförmigen Gesichtsfeld verwendet werden, dessen Kollimator und damit Erfassungsbereich hin- und herbewegt wird, so daß der Detektor einen gewissen streifenförmigen Bereich abtastet. Das streifenförmige Gesichtsfeld 42 ist also einem periodisch hin- unü herbewegten punktförmigen Gesichtsfeld äquivalent.Instead of the X-ray detector with the strip-shaped field of view, an X-ray detector can also be used be used with a point-like field of view whose collimator and thus the detection area are moved back and forth, so that the detector scans a certain strip-shaped area. The strip-shaped field of view 42 is therefore a point-shaped field of view that is periodically moved back and forth equivalent to.

809846/1023809846/1023

Bei einer praktischen Ausführungsform gemäß Figur 4B war die schlitzförmige vordere Eintrittsöffnung des KoIlimatorteiles in einem Abstand D von etwa 165 mm von dem Punkt 52' entfernt, von dem die wahrzunehmenden Röntgenstrahlen emittiert werden. Dieser Punkt 52' liegt in diesem Falle tief in der überall eine gewisse Mindestbreite aufweisenden Trennfuge 12, und die Achse des Eintritts kanales des Kollimators bildete einen Winkel von etwa 37,5° mit den Oberflächen der Platten 14 und 16.In a practical embodiment according to FIG. 4B, the slot-shaped front inlet opening was of the KoIlimatorteiles at a distance D of about 165 mm from the point 52 'from which the X-rays to be perceived are emitted. This point 52 'lies in this case deep in the parting line 12, which has a certain minimum width everywhere, and the axis of the inlet The collimator's channel formed an angle of approximately 37.5 ° with the surfaces of plates 14 and 16.

Wie in den Figuren 8 und 8A dargestellt ist, kann der Kollimatorteil 38 des Röntgensensors 32 ein dickwandiges Rohr 38 aus Blei und mindestens zwei Blendensysteme 70,72 enthalten, die in den Enden des Rohres angeordnet sind, wie Fig. 8 zeigt. Jedes Blendensystem enthält mindestens zwei Bleikörper 74 und 76, die eine D-förmige Gestalt haben und eine schlitzförmige Durchtrittsöffnung für die wahrzunehmende Röntgenstrahlung 78 begrenzen. Die schlitzförmige Durchtrittsöffnung kann mit einem flachen, streifenförmigen Körper 80 aus einem Material, wie Aluminium, ausgefüllt sein, das die betreffende Röntgenstrahlung nur wenig absorbiert.As shown in FIGS. 8 and 8A, the collimator part 38 of the X-ray sensor 32 can be thick-walled Tube 38 made of lead and at least two diaphragm systems 70,72, which are arranged in the ends of the tube, as Fig. 8 shows. Each aperture system includes at least two lead bodies 74 and 76 which are D-shaped and delimit a slot-shaped passage opening for the X-ray radiation 78 to be perceived. The slot-shaped passage opening can be made with a flat, strip-shaped body 80 a material such as aluminum, which absorbs the X-ray radiation in question only slightly.

Unter gewissen Umständen kann der Röntgenstrahlungsdetektor 36 nicht in der Lage sein, einen "Positions"-Impuls 62 (Fig. 6C) zu erzeugen, z.B. wenn das Gesichtsfeld durch eine in Fig. 4B schematisch daigestellte Heftschweißung 82 blockiert ist. Einer solchen Situation kann durch Verwendung einer Schaltungsanordnung Rechnung getragen werden, wie sie in Fig. 10 dargestellt ist. Diese Schaltungsanordnung kann einen Teil der Regelschaltung 44 (Fig. 4A) bilden. Der Ausgang des Röntgenstrahlungsdetektors 36 ist mit dem Eingang einer Integrierschaltung 84 gekoppelt, die die Positionsimpulse 62 integriert. Der Ausgang der Integrierschaltung 84 ist mit dem Eingang einer Schwellenwertschaltung 86 gekoppelt, deren Schwellenwert so eingestellt ist, daß sie ein Ausgangssignal erzeugt, wenn der Röntgenstrahlungs-In certain circumstances, the x-ray detector 36 may not be able to generate a "position" pulse 62 (Fig. 6C), for example when the field of view is blocked by a tack weld 82 shown schematically in Fig. 4B is. Such a situation can be taken into account by using a circuit arrangement such as is shown in FIG. This circuit arrangement may form part of control circuit 44 (FIG. 4A). The output of the X-ray detector 36 is connected to the Coupled to the input of an integrating circuit 84, which integrates the position pulses 62. The output of the integrating circuit 84 is coupled to the input of a threshold value circuit 86, the threshold value of which is set so that it generates an output signal when the X-ray radiation

809846/ 1 023809846/1 023

«Ο«Ο

detektor 36 keine Positionsimpulse mehr liefert. Der das Regelsignal führenden Leitung 48 ist ein Schalter 88 in Reihe geschaltet, der durch das Augangssignal der Schwellenwertschaltung 86 geöffnet wird. Zwischen den Schalter 88 und die Ablenkvorrichtung 26 sowie den Inverter 50 ist ein Verstärker 90 mit hoher Eingangsimpedanz geschaltet, und der Eingang dieses Verstärkers ist mit einem Speicherkondensator 92 gekoppelt. Der andere Anschluß des Schalters ist an den Kollektor eines Transistors 94 angeschlossen, der die Torschaltung der Regelschaltung 44 (Fig. 4A) bildet. Diese Verbindung ist ferner über einen Arbeitswiderstand 96 mit einer Betriebsspannung B verbunden.detector 36 no longer delivers position pulses. The line 48 carrying the control signal is connected in series with a switch 88 which is opened by the output signal of the threshold value circuit 86. An amplifier 90 with a high input impedance is connected between the switch 88 and the deflection device 26 as well as the inverter 50, and the input of this amplifier is coupled to a storage capacitor 92. The other terminal of the switch is connected to the collector of a transistor 94 which forms the gate circuit of the control circuit 44 (FIG. 4A). This connection is also connected to an operating voltage B via a load resistor 96.

Bei normalem Betrieb xst der Schalter 88 geschlossen, wie in Fig. 10 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, so daß am Speicherkondensator 92 eine Fehlerspannung auftritt, die die Ablenkung des Strahls steuert und diesen bezüglich der Trennfuge 12 zentriert hält. Die Ladung des Kondensators 92 folgt etwaigen Schwankungen der Fehlerspannung ohne Verzögerung, da die RC-Zeitkonstante, die durch den Arbeitswiderstand 96 und den Speicherkondensator 92 gebildet wird, verhältnismäßig klein ist. Wenn jedoch der Röntgenstrahlungsdetektor 36 keine Positionsimpulse mehr liefert, spricht die Schaltungsanordnung 84-86 an und das Ausgangssignal der Schwellenwertschaltung 86 öffnet den Schalter 88. Die nun wirksame RC-Zeitkonstante wird durch die hohe Eingangsimpeanz des Verstärkers 90 in Verbindung mit dem Speicherkondensator 92 bestimmt und der letzte Wert der Fehlerspannung wird dadurch im Kondensator 92 gespeichert gehalten, so daß der Verstärker 90 fortfährt, ein Signal zu liefern, das den Strahl in der Stellung hält, die er vor dem Ausfall der Positionsimpulse hatte. During normal operation the switch 88 is closed, as shown in FIG. The charging of the capacitor 92 follows any fluctuations in the error voltage without delay, since the RC time constant, which is formed by the load resistor 96 and the storage capacitor 92, is relatively small. If, however, the X-ray detector 36 no longer delivers position pulses, the circuit arrangement 84-86 responds and the output signal of the threshold value circuit 86 opens the switch 88. The now effective RC time constant is determined by the high input pulse of the amplifier 90 in conjunction with the storage capacitor 92 and the last value of the error voltage is thereby held stored in capacitor 92 so that amplifier 90 continues to provide a signal which maintains the beam in the position it was in prior to the failure of the position pulses.

Die beschriebene Schaltungsanordnung ist auch dann wirksam, wenn das Gesichtsfeld z.B. durch Abstandshalter in der Trennfuge, durch Zunder, verspritztes Werkstückmaterial und -dergl. blockiert ist. The circuit arrangement described is also effective when the field of view is, for example, by spacers in the parting line, by scale, sprayed workpiece material and the like. is blocked .

09846/1023 original inspected09846/1023 originally inspected

Die Abstandshalter oder Heftschweißungen können vor dem Schweißen von Hand mit einer kleinen Kerbe oder Nut versehen werden, ähnlich der Nut 66 gemäß Fig. 9, so daß dann gegebenenfalls keine solche Halteschaltung nötig wird oder deren Arbeit erleichtert wird.The spacers or tack welds can be made before Welding by hand are provided with a small notch or groove, similar to the groove 66 according to FIG. 9, so that then if necessary no such holding circuit is necessary or whose work is facilitated.

Die oben beschriebenen Verfahren und Einrichtungen gewährleisten ein fortlaufendes Verfolgen der Trennfuge 12 oder eines anderen Soll-Strahlauftreffbereiches durch den Ist-Auftreffbereich. Dieses Konzept kann jedoch abgewandelt werden, z.B. so, wie es unter Bezugnahme auf die Figuren 11 und 12 erläutert ist. Auch hier wird wieder auf das Elektronenstrahlschweißen Bezug genommen, obwohl das im folgenden beschriebene Verfahren mit der zugehörigen Vorrichtung auch für andere Strahlbearbeitungsverfahren verwendet werden kann.The methods and devices described above ensure continuous tracking of the parting line 12 or another Target beam impact area through the actual impact area. However, this concept can be modified, for example as explained with reference to Figs. Here, too, reference is made to electron beam welding, although the method described below with the associated device can also be used for other beam processing methods.

Bei dem abgewandelten Verfahren wird der Schweißprozess in Abständen, vorzugsweise periodisch, für eine kurze Zeitspanne unterbrochen, während der die Relativlage des Strahls bezüglich des Werkstückes bestimmt wird. Die Zeitspannen, während der der Bearbeitungsvorgang kurzzeitig unterbrochen wird, können beispielsweise eine Dauer von 1 bis 2 MillisekundenIn the modified method, the welding process is carried out at intervals, preferably periodically, for a short period of time interrupted, during which the relative position of the beam with respect to the workpiece is determined. The periods of time during which the machining process is briefly interrupted, for example, a duration of 1 to 2 milliseconds

haben und die einzelnen Unterbrechungen können mit einem jand the individual interruptions can be marked with a j

Abstand von beispielsweise einer oder mehreren Sekunden auf- [ einander folgen. Die Unterbrechungen sind so kurz, daß der Bearbeitungsprozeß, also zum Beispiel das SchweißenIntervals of, for example, one or more seconds. The interruptions are so short that the machining process, for example welding

nicht nennenswert beeinträchtigt wird. jis not significantly impaired. j

Während der kurzen Zeitspanne oder dem"Meßintervall" wird das normale Wedeln des Strahls unterbrochen und der Strahl wird längs eines dreieckigen Weges 100 (Fig. 11) über einen vor dem augenblicklichen Schweißbereich 18 liegenden Teil der Werkstückoberfläche abgelenkt. Der Strahl kreuzt dabei die noch nicht vom Strahl bearbeitete Trennfuge 12 (oder Nut 66, Fig. 9) in einem gewissen Abstand, zum Beispiel 5 oder 10 mm vor der Schweißstelle mit genügender Geschwindigkeit um ein Schmelzen oder anderweitiges Beeinträchtigen des Werkstückmaterials zu vermeiden. Gegebenenfalls kann die StrahlstärkeDuring the short period of time or the "measurement interval" the normal waving of the beam is interrupted and the beam is traversed along a triangular path 100 (FIG. 11) via a deflected part of the workpiece surface lying in front of the current welding area 18. The beam crosses the parting line 12 (or groove 66, FIG. 9) not yet worked by the beam at a certain distance, for example 5 or 10 mm in front of the welding point with sufficient speed to melt or otherwise impair the workpiece material to avoid. If necessary, the radiant intensity

809846/1023809846/1023

üRiGiNAL INSPECTEDüRiGiNAL INSPECTED

während dieser Ablenkung reduziert werden. Die Erfassung der Röntgenstrahlung kann durch einen Detektor der anhand der Figur 4A und 4B beschriebenen Art erfolgen und die Detektorschaltung kann getastet werden, um die eigentliche Messung auf den quer zur Stoßfuge 12 verlaufenden Teil 100a des dreieckigen Weges 100 zu beschränken.be reduced during this distraction. The X-ray radiation can be detected by a detector based on the FIGS. 4A and 4B are carried out and the detector circuit can be scanned in order to carry out the actual measurement to be restricted to the part 100a of the triangular path 100 running transversely to the butt joint 12.

Fig. 12 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung, mit der die anhand von Fig. 11 beschriebene Strahlablenkung durchgeführt werden kann. Die Einrichtung enthält zwei Paare magnetischer Ablenkspulen 102, 104, mit denen der Strahl in Quer- bzw. Längsrichtung bezüglich der Stoßfuge 12 abgelenkt werden kann. Die Ablenkspulen 102 sind mit einem Wedelstromgenerator 106, der ein sinusförmiges Ausgangssignal liefert, und dem Ausgang einer Schaltung 108 verbunden, die eine im wesentlichen symmetrische Sägezahnschwingung 110 (Fig. 13) zu erzeugen gestattet. Die Ablenkspulen 104 sind mit dem Ausgang einer Schaltungsanordnung 112 verbunden, welche eine dreieckige Schwingung 114 erzeugt. Das Arbeiten der Schaltungsanordnungen 106,108 und 112 werden durch eine Programmsteuerschaltung 116 gesteuert, die den Wedelstromgenerator 106 periodisch blockiert und gleichzeitig die Schaltungsanordnungen 108 bzw. 106 freigibt, so daß diese eine Sägezahnschwingung bzw. eine Dreieckschwingung erzeugen. Schaltungsanordnungen, die die beschriebenen Signale liefern, sind bekannt, so daß sich eine weitere Beschreibung erübrigt.Fig. 12 shows a block diagram of a device with the beam deflection described with reference to FIG. 11 can be carried out. The device contains two pairs of magnetic deflection coils 102, 104 with which the beam can be deflected in the transverse or longitudinal direction with respect to the butt joint 12. The deflection coils 102 are with a Swirl current generator 106, which supplies a sinusoidal output signal, and connected to the output of a circuit 108, which allows a substantially symmetrical sawtooth oscillation 110 (FIG. 13) to be generated. The deflection coils 104 are connected to the output of a circuit arrangement 112 which generates a triangular oscillation 114. The work of the circuit arrangements 106, 108 and 112 are controlled by a program control circuit 116, which the weaving current generator 106 periodically blocked and at the same time the circuit arrangements 108 and 106 releases so that these generate a sawtooth oscillation or a triangular oscillation. Circuit arrangements that generate the signals described supply are known, so that a further description is superfluous.

Das durch die beschriebenen Röntgenmeßsysteme erzeugte Lagefehlersignal kann über mehrere Meßzyklen integriert werden, um unerwünscht schnelle Schwankungen der Fehlerspannung und der Nachregelung der Strahlposition infolge von unwesentlichen Unregelmäßigkeiten der Stoßfuge oder von Zunderteilchen oder dergl. zu vermeiden. Diese Integration kann beispielsweise durch geeignete Wahl der Zeitkonstante des Arbeitswiderstandes 96 und des Speicherkondensators 92 (Fig. 10) 'erreicht werden.That generated by the X-ray measuring systems described Position error signal can be integrated over several measuring cycles are to avoid undesirably rapid fluctuations in the error voltage and the readjustment of the beam position as a result of to avoid insignificant irregularities of the butt joint or of scale particles or the like. This integration can, for example, by suitable choice of the time constant of the load resistor 96 and the storage capacitor 92 (Fig. 10) 'can be achieved.

809846/1023809846/1023

ORIGINALORIGINAL

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden Positionsfehler des Strahls durch eine entsprechende Strahlablenkung ausgeregelt; stattdessen oder zusätzlich kann auch die Lage des Strahlerzeugungssystems 30 bezüglich des Werkstücks 14-16 geändert werden.In the embodiments described above, position errors of the beam were caused by a corresponding Beam deflection regulated; instead or in addition, the position of the beam generation system 30 with respect to of the workpiece 14-16 can be changed.

Die Breite der Positionsimpulse 62 (Fig. 6) kann bestimmt und zur Steuerung der pro Zeiteinheit zugeführten Menge des Zusatzmaterials 20 verwendet werden.The width of the position pulses 62 (FIG. 6) can be determined and used to control the amount of the supplied per unit of time Additional material 20 can be used.

Gemäß einem zweiten, wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Position des Strahls bezüglich eines Koordinatensysstems ermittelt, das in einer festen Beziehung zum Rahmen der Strahlbearbeitungsmaschine oder dem Strahlerzeugungssystem oder einer Zusatzvorrichtung, z.B. der Zusatzmaterialzufübungsvorrichtung steht. Hierzu wird die Position des Strahls in der Nähe der Werkstückoberfläche durch ein zweites Meß- oder Sensorsystem ermittelt, das eine körperliche Elektrodenanordnung enthält, deren Elektrode oder Elektroden vorzugsweise nadel- oder drahtförmig sind.According to a second important aspect of the present invention, the position of the beam with respect to a Coordinate system determined that is in a fixed relationship to the frame of the beam processing machine or the beam generation system or an auxiliary device, e.g., the auxiliary material application device. This is done determines the position of the beam in the vicinity of the workpiece surface by a second measuring or sensor system that contains a physical electrode arrangement, the electrode or electrodes of which are preferably needle-shaped or wire-shaped.

Ein erstes Ausführunsbeispiel dieser Art ist in Fig. 14 dargestellt. Das Sensorsystem 14 enthält eine Welle 140, die um eine senkrechte Achse 142 drehbar oder schwenkbar ist. Die Welle 142 ist mit einer nichtdargestellen Halterungs- und Antriebsvorrichtung versehen, welch=eine feste Lage bezüglich der Grundplatte oder des Strahlerzeugungssystems 30 hat. An der Welle ist eine vorspringende Sensorelektrode 142 in Form einer Nadel oder eines dünnen Stabes aus einem hitzebeständigen Material, wie Kohlenstoff oder Wolfram elektrisch isoliert angebracht. Die Welle 140 kann ferner mit einem Winkelpositionsgeber versehen sein, der zum Beispiel gleichmäßig beabstandete Markierungen 146 auf der Welle und einen mit diesen zusammenarbeitenden Sensor 148 enthält. Außerdem ist an der Welle 142 eine Sensorspule 150 angebracht, wie es in Fig. 14 dargestellt ist. Die Sensorspule 150 hat einen gewissen Abstand von der Achse 142 der Welle 146 und fluchtet mit der Sensorelektrode 144 oderA first exemplary embodiment of this type is shown in FIG. The sensor system 14 includes a shaft 140 which is rotatable or pivotable about a vertical axis 142. The shaft 142 is provided with a holding and drive device (not shown) which has a fixed position with respect to the base plate or the beam generation system 30. A projecting sensor electrode 142 in the form of a needle or a thin rod made of a heat-resistant material such as carbon or tungsten is attached to the shaft in an electrically insulated manner. The shaft 140 may also be provided with an angular position transmitter which includes, for example, evenly spaced markings 146 on the shaft and a sensor 148 cooperating with them. In addition, a sensor coil 150 is attached to the shaft 142, as shown in FIG. 14. The sensor coil 150 has a certain distance from the axis 142 of the shaft 146 and is aligned with the sensor electrode 144 or

809846/1023809846/1023

vorzugsweise ist sie um einen vorgegebenen Winkel bezüglich dieser versetzt. Die Sensorspule 150 bildet einen Teil eines magnetischen Sensorsystems, das einen Ausgangsimpuls liefert, wenn die Spule über die Stoßfuge 12, d.h. den Sollstrahlauf treff bereich wandert.preferably it is relative to a predetermined angle this moves. The sensor coil 150 forms part of a magnetic sensor system that provides an output pulse, when the coil over the butt joint 12, i.e. the desired jet path meeting area wanders.

Im Betrieb wird die Welle 140 gedreht oder geschwenkt, so daß die nadeiförmige Sensorelektrode 144 periodisch durch den Strahl 10 wandert und ein im wesentlichen impulsförmiges Ausgangssignal erzeugt, wenn sie vom Strahl getroffen wird. Dieses Ausgangssignal und das Ausgangssignal der Sensorspule 150 werden zur Erzeugung eines Fehlersignals verwendet, das die Abweichung des Ist-Strahlauftreffbereiches vom Soll-Strahlauftreffbereich des Strahls darstellt, und zwar gemessen in einer Richtung senkrecht zur Trennfuge Dieses Fehlersignal kann durch Phasenvergleich erzeugt werden, oder durch eine Torschaltung ähnlich wie sie in Verbindung mit Fig. 4A beschrieben wurde, der dann die Steuerimpulse von der Elektrode 144 und ein sinusförmiges Eingangssignal zugeführt werden, welches vom Sensor 148 erzeugt und durch das Ausgangssignal der Sensorspule 150 synchronisiert werden kann. Das Fehlersignal wird in diesem Falle zur Änderung der Relativlage einer Hilfseinrichtung, wie einer in Fig. 14 nicht dargestellten Fülldrahtzuführungsdüse 22 (Fig. 1), bezüglich des Werkstücks verwendet oder zur Regelung der Relativlage des Werkstücks bezüglich des Strahlerzeugungssystems 30 und einer Hilfsvorrichtung, um eine gewünschte Lagebeziehung zur Schweißzone, also dem Ist-Strahlauftreffbereich herzustellen und aufrechtzuerhalten.In operation, the shaft 140 is rotated or pivoted so that the needle-shaped sensor electrode 144 periodically through the Beam 10 travels and produces a substantially pulsed output signal when struck by the beam. This output signal and the output signal of the sensor coil 150 are used to generate an error signal used, which is the deviation of the actual beam impact area represents the target beam impact area of the beam, namely measured in a direction perpendicular to the parting line This error signal can be generated by phase comparison, or by a gate circuit similar to that described in connection with FIG. 4A, which then provides the control pulses from the electrode 144 and a sinusoidal input signal, which is generated by the sensor 148 and fed by the output signal of the sensor coil 150 can be synchronized. In this case, the error signal becomes a change the relative position of an auxiliary device, such as a filler wire feed nozzle 22 not shown in FIG. 14 (FIG. 1), used with respect to the workpiece or to regulate the relative position of the workpiece with respect to the beam generation system 30 and an auxiliary device to establish a desired positional relationship to the welding zone, i.e. the actual beam impact area establish and maintain.

Störmagnetfelder infolge eines remanenten Magnetismus des Werkstücks oder anderer Herkunft und andere Störinflüsse können auch eine unerwünschte Versetzung des Strahls in Längsrichtung der Stoßfuge 12 zur Folge haben. Um Störungen dieses Typs kompensieren zu können, wird gemäß· eine,r Weiterbildung der Erfindung ein zweites Meßsystem vorgesehen, das eine drehbare oder schwenkbare Welle 140" enthält, die eine weitere nadeiförmige Elektrode 144" enthält, wie es beispiels-Interfering magnetic fields as a result of remanent magnetism of the workpiece or other origins and other interfering influences can also result in an undesirable displacement of the beam in the longitudinal direction of the butt joint 12. To disturbances To be able to compensate this type is, according to a further development the invention provided a second measuring system, which includes a rotatable or pivotable shaft 140 ", the one further needle-shaped electrode 144 "contains, as it is for example

809846/1023809846/1023

weise in Fig. 15 dargestellt ist. Das Meßsystem kann also, wie die Draufsicht in Fig. 15 zeigt, eine erste Welle 140' mit einer nadeiförmigen Elektrode 144¹ enthalten, um wie in Verbindung mit Fig. 14 beschrieben wurde, ein Signal zum Einregeln des Strahlerzeugungssystems und/oder einer Hilfsvorrichtung in einer senkrecht zur Stoßfuge 12 oder Schweißrichtung verlaufenden Richtung zu bewirken während das zweite System mit der Welle 140" und der nadeiförmigen Elektrode 144" in entsprechender Weise dazu verwendet wird, die Hilfseinrichtung oder das Strahlerzeugungssystem in einer Richtung parallel zur Stoßfuge 12 (Längsrichtung) zu verstellen.as shown in FIG. The measuring system can thus, as the plan view in FIG. 15 shows, ^{contain a first shaft 140 'with a needle-shaped electrode 144 1 in} order, as was described in connection with FIG a direction running perpendicular to the butt joint 12 or welding direction while the second system with the shaft 140 ″ and the needle-shaped electrode 144 ″ is used in a corresponding manner to adjust the auxiliary device or the beam generating system in a direction parallel to the butt joint 12 (longitudinal direction) .

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung, die in den Figuren 16 und dargestell ist, können an einer Welle 140a zwei nadeiförmige Meßelektroden 144a und 144b angeordnet sein, die in Richtung der Achse 60 des unabgelenkten Strahles einen vorgegebenen Abstand voneinander haben und mit einem Doppelablenksystem zusammenwirken, das zwei Paare von Ablenkspulen 26,28 enthält, die im Abstand voneinander längs der Strahlachse 60 angeordnet sind, und den Strahl derart abzulenken gestatten, daß er ±n wesentlichen senkrecht auf die Werkstücksoberfläche auftrifft, trotzdem er vor der Werkstücksoberfläche durch ein Störmagnetfeld 162 abgelenkt wird. Fig. 16 zeigt, um die Zeichnung übersichtlicher zu machen, nicht die tatsächliche Lage der Welle 140 bezüglich der Strahlachse 60, in Wirklichkeit muß die Welle 140a in Fig. vor oder hinter der Strahlachse 60 liegen, wie es in Fig. dargestellt ist.According to a further embodiment, which is shown in FIGS is shown, two needle-shaped measuring electrodes 144a and 144b can be arranged on a shaft 140a, facing in the direction the axis 60 of the undeflected beam have a predetermined distance from each other and with a double deflection system cooperate, which contains two pairs of deflection coils 26,28, which are spaced from each other along the beam axis 60 are arranged and allow the beam to be deflected so that it is ± n substantially perpendicular to the workpiece surface hits, despite it in front of the workpiece surface is deflected by an interference magnetic field 162. 16 shows, in order to make the drawing clearer, not the actual position of the shaft 140 with respect to the beam axis 60, in reality the shaft 140a in Fig. lie in front of or behind the beam axis 60, as shown in FIG.

Fig. 17 zeigt eine Schaltungsanordnung, die in Kombination mit dem anhand von Fig. 16 beschriebenen Regelsystem verwendet werden kann. Durch einen Winkelgeber 148 wird ein die Winkellage der rotierenden Welle 140a darstellendes Signal erzeugt, das durch eine Frequenzteiler-und Schwingungsformungsschaltung 162 in ein sinusförmiges Positionsreferenzsignal umgewandelt wird.FIG. 17 shows a circuit arrangement which is used in combination with the control system described with reference to FIG. 16 can be. The angular position is determined by an angle encoder 148 of the rotating shaft 140a is generated by a frequency dividing and waveform shaping circuit 162 is converted into a sinusoidal position reference signal.

809846/1023809846/1023

Das Referenzsignal wird einem ersten Eingang einer ersten Fehlerschaltung 164 zugeführt, an deren zweiten Eingang die Ausgangsimpulse von der Elektrode 144a liegen. Die Fehlerschaltung 164 kann eine Torschaltung enthalten, wie sie in Verbindung mit Fig. 4A erläutert wurde, und liefert an einem Ausgang 166 ein Fehlersignal, das etwaige Abweichungen des Strahls von einer Referenzlage darstellt, welche der Position der Achse 60 des unabgelenkten Strahls in der Drehebene der Elektrode 144a entsprechen kann. Dieses Fehlersignal beeinflußt den Ablenkstrom in den Ablenkspulen 26 derart, daß der Fehler so weit als möglich kompensiert wird. Ferner werden die Impulse von der zweiten Meßelektrode 144b und das Referenzsignal einer zweiten Fehlerschaltung 168 zugeführt, die ein zweites Fehlersignal zur Regelung des Ablenkstromes in den Ablenkspulen 28 erzeugt. Die Fehlerschaltungen 164 und 168 erzeugen die jeweiligen Fehlersignale mit unterschiedlichen Zeitkonstanten, so daß keine Regelschwingungen auftreten können und sich ein Kompromiß der Lagefehler in den Drehebenen der beiden Elektroden 144a und 144b einstellt und der Strahl dementsprechend im wesentlichen senkrecht auf die Werkstückoberfläche auftrifft. Auch hier kann ähnlich wie in Verbindungntt Fig. beschrieben wurde,eine Regelung in zwei Koordinaten vorgesehen sein.The reference signal is fed to a first input of a first error circuit 164, at whose second input the output pulses from the electrode 144a are applied. The error circuit 164 can contain a gate circuit, as was explained in connection with FIG. 4A, and provides an error signal at an output 166 which represents any deviations of the beam from a reference position which is the position of the axis 60 of the undeflected beam in the plane of rotation may correspond to electrode 144a. This error signal influences the deflection current in the deflection coils 26 in such a way that the error is compensated as far as possible. Furthermore, the pulses from the second measuring electrode 144b and the reference signal are fed to a second error circuit 168 which generates a second error signal for regulating the deflection current in the deflection coils 28. The error circuits 164 and 168 generate the respective error signals with different time constants, so that no control oscillations can occur and a compromise of the positional errors in the planes of rotation of the two electrodes 144a and 144b occurs and the beam accordingly strikes the workpiece surface essentially perpendicularly. Here too, in a manner similar to that described in connection with FIG. 1, regulation in two coordinates can be provided.

Die beschriebene Nadelmeßmethode kann ähnlich abgewandelt werden, wie es in Verbindung mit den Figuren 11 bis 13 erläutert wurde. In diesem Falle werden dann die Nadelelektroden stationär bezüglich des Maschinenrahmens oder des Strahlerzeugungssystems montiert und zur Messung wird der Strahl längs eines dreieckigen Weges abgelenkt, wie es oben erläutert wurde. The needle measuring method described can be modified similarly to that explained in connection with FIGS. In this case, the needle electrodes are then mounted in a stationary manner with respect to the machine frame or the beam generation system, and for the measurement the beam is deflected along a triangular path, as has been explained above .

Die Meßelektroden sollen auf alle Fälle so nah wie möglich bei der Werkstückoberfläche angeordnet werden, vorzugsweise in einem Abstand von nicht mehr als etwa 5 bis 15 mm, damitIn any case, the measuring electrodes should be arranged as close as possible to the workpiece surface, preferably at a distance of no more than about 5 to 15 mm

809846/1023809846/1023

keine großen Abweichungen zwischen der Strahlposition an der Meßstelle und der Strahlposition an der Werkstückoberfläche auftreten können.no large deviations between the beam position at the measuring point and the beam position on the workpiece surface may occur.

Die Elektroden 144a und 144b (Fig. 17) können in Richtung senkrecht zur Achse der Welle gegeneinander versetzt sein, damit der unabgelenkte gerade Strahl keinen zu starken Schatten der oberen Elektrode 144a auf die untere Elektrode wirft. Alternativ können die Elektroden 144a und 144b in Umfangsrichtung der Welle versetzt sein, zum Beispiel sich in entgegengesetzte Richtungen erstrecken, wobei dann die Versetzung durch eine entsprechende Phasenverschiebung kompensiert wird, indem zum Beispiel die Fehlerschaltungen 164 und 168 mit entsprechend phasenverschobenen Versionen des Referenzsignals versorgt werden.The electrodes 144a and 144b (FIG. 17) can be offset from one another in a direction perpendicular to the axis of the shaft so that the undeflected straight beam does not have an excessive shadow of the upper electrode 144a on the lower electrode throws. Alternatively, electrodes 144a and 144b can be offset circumferentially of the shaft, for example extend in opposite directions, with the displacement then being caused by a corresponding phase shift is compensated by, for example, the error circuits 164 and 168 are supplied with correspondingly phase-shifted versions of the reference signal.

Um RegelSchwingungen zu vermeiden, hat das Regelsystem, das Abweichungen von Ist- und Soll-Position des Strahlauftreffbereiches regelt, eine kürzere Zeitkonstante, vorzugsweise um mindestens eine Größenordnung kürzere Zeitkonstante als das Regelsystem, welches die Position der Hilfsvorrichtung oder des Strahlerzeugungssystems bezüglich der Bearbeitungsstelle (Schweißbad 28) regelt. In order to avoid control oscillations, the control system has which regulates deviations from the actual and target position of the beam impact area, a shorter time constant, preferably by at least one order of magnitude shorter time constant than the control system, which determines the position of the auxiliary device or the beam generation system with respect to the processing point (weld pool 28).

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Fehlersignal, das aus dem Ausgangssignal des auf elektromagnetische Strahlung, insbesondere Röntgenstrahlung ansprechenden Detektors 32 gewonnen wird, sowohl für die Regelung der Ist-Lage bezüglich der Soll-Lage des Strahlauf treffbereiches auf dem Werkstück als auch zur Regelung der Lage einer Zusatzvorrichtung oder des Strahlerzeugungssystems u.a.m. bezüglich des Ist-Strahlauftreffbereiches verwendet werden. Mann kann also zum Beispiel, wie es in Flg. 4A gestrichelt dargestellt ist, das Fehlersignal auf der Leitung 46, das Abweichungen zwischen der Ist-Lage und der Soll-Lage des Strahlauftreffbereiches in Richtung senkrecht zur Längsrichtung der Stoßfuge 12 darstellt, über eine LeitungAccording to a further embodiment of the invention, the error signal, which is derived from the output signal of the electromagnetic Radiation, in particular X-ray radiation responsive detector 32 is obtained, both for the Regulation of the actual position in relation to the target position of the beam impingement area on the workpiece as well as for regulation the position of an additional device or the beam generation system, etc. in relation to the actual beam impact area be used. So you can, for example, as it is in Flg. 4A is shown in phantom, the error signal on the line 46, the deviations between the actual position and the target position of the beam impact area in the direction perpendicular to Represents the longitudinal direction of the butt joint 12, via a line

809846/1023809846/1023

as-as-

180 (Fig. 4A) einem Servomotor 182 zuführen, der über einen Spindelantrieb mit dem Strahlerzeugungssystem 30 verbunden ist, das seinerseits verschiebbar an einem stationären Träger 184 gelagert ist.180 (Fig. 4A) to a servo motor 182 to which a Spindle drive is connected to the beam generation system 30, which in turn is displaceable on a stationary carrier 184 is stored.

Im Betrieb hält das erste Regelsystem, welches die Ablenkvorrichtungen 26 und 28 enthält und eine kleine Zeitkonstante hat, den tatsächlichen Strahlauftreffbereich bezüglich des Soll-Strahlauftreffbe reiches zentriert, wie es oben beschrieben wurde.In operation, the first control system, which holds the deflection devices 26 and 28 and has a small time constant, the actual beam impact area with respect to the Target beam impact centered as described above became.

Gleichzeitig steuert das Fehlersignal auf der Leitung 180 den Servomotor 184 derart, daß das Strahlerzeugungssystem 30 um eine solche Strecke senkrecht zur Stoßfuge 12 verschoben wird, daß eine vorgegebene Lagebeziehung zwischen dem Strahlerzeugungssystem und dem Ist-Strahlauf treff bereich hergestellt oder aufrechterhalten wird. Hierdurch wird eine Überschreitung des Ablenkbereiches der Ablenk-Vorrichtungen 26 und 28 vermieden und, wenn das Strahlerzeugungssystem mit der Fülldrahtzuführungsdüse 22 verbunden ist, gleichzeitig eine einwandfreie Fülldrahtzuführung gewährleistet.At the same time, the error signal on line 180 controls servo motor 184 so that the beam generation system 30 is shifted perpendicular to the butt joint 12 by such a distance that a predetermined positional relationship is established or maintained between the beam generation system and the actual beam impingement area. This avoids exceeding the deflection range of the deflection devices 26 and 28 and, if that Beam generating system is connected to the filler wire feed nozzle 22, at the same time a perfect filler wire feed guaranteed.

Das Fehlersignal auf der Leitung 180 kann zusätzlich oder anstelle des Servomotors 182 auch einem entsprechenden Stellglied für die Zusatzmaterial-Zuführungsvorrichtung zugeführt werden.The error signal on the line 180 can in addition to or instead of the servo motor 182 also a corresponding one Actuator for the additional material supply device are supplied.

Andere Hilfsvorrichtungen, auf deren Positionsregelung die vorliegende Erfindung anwendbar ist, sind Schweißbadoder Stützungsvorrichtungen, d.h. Vorrichtungen, die an der Strahlaustrittsseite und ggfs. an der Strahleintrittsseite des Werkstücks angeordnet werden, und dazu bestimmt sind, das Ausfließen aus der Schmelze zu verhindern. Diese Schweißbadoder Stützungsvorrichtungen können mit dem Strahl mitgeführt werden und dann in der Position durch die beschriebene Regeleinrichtung geregelt werden.Other auxiliary devices on their position control The present invention is applicable to weld pool or support devices, i.e. devices that be arranged on the beam exit side and, if necessary, on the beam entry side of the workpiece, and are intended to to prevent the melt from flowing out. These weld pool or support devices can be carried along with the beam and then in position by the control device described be managed.

809846/1023809846/1023

Claims (19)

PATENTANWÄLTE O ß 9 1 Π 9 8PATENTANWÄLTE O ß 9 1 Π 9 8 DR. DIETER V. BEZOLD A 0 £ IDR. DIETER V. BEZOLD A 0 £ I DIPL. ING. PETEH SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLERDIPL. ING. PETEH SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER MAHIA-THSRBSIa-BTRXSBK 82 POSTrACH MMMMAHIA-THSRBSIa-BTRXSBK 82 POSTrACH MMM D-8OOO MUENCUBN 86D-8OOO MUENCUBN 86 TXLKPON Οββ/«Τ·βΟβ 47 «SI·TXLKPON Οββ / «Τ · βΟβ 47 «SI TKLKX BtaeseTKLKX Btaese TKLJSORAMU «OMSKSTKLJSORAMU «OMSKS Steigerwald Strahltechnik GmbH MünchenSteigerwald Strahltechnik GmbH Munich Verfahren und Einrichtung zur StrahlpositionsregelungMethod and device for beam position control in einem Ladungsträgerstrahl gerätdevice in a charge carrier beam AnsprücheExpectations LJVerfahren zum Regeln der I st-La ge eines Strahl auftreffbereiches bezüglich eines Soll-Strahlauftreffbereiches in einem Gerät zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem hochenergetischen Ladungsträgerstrahl 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Ist-Lage des Strahlauftreffbereiches aufgrund einer unterschiedlichen Röntgenemission des Soll-Strahlauftreffbereiches und einem diesem benachbarten Bereich bestimmt und ein einer etwaigen Abweichung zwischen Ist- und Sollstrahl auf treff bereich entsprechendes Fehlersignal zur Ausregelung der Abweichung erzeugt wird.LJ method for regulating the actual position of a beam impingement area with respect to a target beam impact area in a device for Machining of a workpiece with a high-energy charge carrier beam 5, characterized in that the actual position of the beam impact area due to a different X-ray emission of the target beam impact area and an area adjacent to it and a possible deviation between the actual and target beam An error signal corresponding to the hit area is generated to compensate for the deviation. 2. Verfahren zum Regeln der Ist-Lage eines Strahlauftreffbereiches bezüglich eines Soll-Strahlauftreffbereiches in einem Gerät zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem hochenergetischen Ladungsträger-2. Procedure for regulating the actual position of a beam impact area with respect to a target beam impact area in a device for Machining a workpiece with a high-energy charge carrier 8098A6/10238098A6 / 1023 strahl, und zum Regeln der Lage des Ist-Strahl auftreffbereiches auf dem Werkstück bezüglich einer Bezugsposition, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Lage des Strahles (10) bezüglich des Soll-Strahlauftreffbereiches (12) bestimmt und ein erstes Fehlersignal entsprechend einer etwaigen Abweichung zwischen Ist- und Sol!strahl auftreffbereich erzeugt wird; daß ferner die Lage des Ist-Strahlauftreffbereiches bezüglich der Referenzposition bestimmt und mindestens ein einer etwaigen Abweichung von einer gewünschten Lagerelation entsprechendes zweites Fehlersignal erzeugt wird; daß das erste Fehlersignal zur Kompensation einer etwaigen Abweichung zwischen der Ist- und der Soll-Lage des Strahl auftreffbereiches verwendet wird und daß das zweite Fehlersignal zur Kompensation einer etwaigen Abweichung zwischen der Ist-Lage des Strahl auftreffbereiches und der Referenzposition verwendet wird.beam, and to regulate the position of the actual beam impingement area on the Workpiece with respect to a reference position, characterized in that that the relative position of the beam (10) with respect to the Target beam impact area (12) is determined and a first error signal accordingly a possible deviation between the actual and the sol beam impingement area is produced; that also determines the location of the actual beam impact area with respect to the reference position and at least one of any Deviation from a desired position relation corresponding second error signal is produced; that the first error signal to compensate for any deviation between the actual and the target position of the beam impingement area is used and that the second error signal to compensate for any deviation between the actual position of the beam impingement area and the reference position is used. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzposition auf eine Hilfseinrichtung bezogen ist, die mit dem Ist-Strahlauftreffbereich des Strahls auf dem Eerkstück zusammenwirkt.3. The method according to claim 2, characterized in that that the reference position is related to an auxiliary device which corresponds to the actual beam impact area of the beam on the Eerkstück cooperates. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Fehlersignal dazu verwendet wird, eine bestimmte Lagebeziehung zwischen der Hilfseinrichtung und dem Ist-Strahlauftreff bereich einzuhalten.4. The method according to claim 3, characterized in that that the second error signal is used to establish a specific positional relationship between the auxiliary device and the actual beam impact area to be adhered to. 5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abweichungen zwischen dem Ist-Strahl auftreffbe reich und dem Soll-strahlauftreffbereich durch elektromagnetische Strahlung5. The method according to claim 2, characterized in that the deviations between the actual beam impingement be rich and the target by electromagnetic radiation hitting area strahlauf 809846/1023809846/1023 einschließlich optischer Strahlung und Röntgenstrahlung ermittelt wird.including optical radiation and X-ray radiation is determined. 6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ist-Lage des Strahls nahebei dem Ist-Strahlauftreffbereich und dadurch die Lage des Ist-Strahlauftreffbereiches bezüglich der Referenzposition durch mindestens eine körperliche Elektrode (144) bestimmt wird.6. The method according to claim 2, characterized in that the actual position of the beam close to the actual beam impact area and thereby the position of the actual beam impact area with respect to the reference position is determined by at least one physical electrode (144). 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlung, die auf einem Spalt (12; 66) zwischen zwei Werkstückteilen austritt, wahrgenommen wird.7. The method according to claim 5, characterized in that radiation on a gap (12; 66) between two workpiece parts emerges, is perceived. 8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Strahls während einer Meßperiode längs eines vorgegebenen Weges (100) derart geändert wird, daß der Strahl den Soll-Strahlauftreffbereich (12', 66) an einer vom Strahl noch nicht bearbeiteten Stelle kreuzt; daß die Relativlage des Strahls bezüglich des Soll-Strahlauftreffbereiches während dieses Kreuzens (100a) bestimmt und ein entsprechendes Fehlersignal erzeugt wird, und daß die Meßperiode zu kurz ist, daß der normale Bearbeitungsvorgang des Strahles durch die Unterbrechung während der Meßperiode nicht beeinträchtigt wird.8. The method according to claim 1, 2, 6 or 7, characterized characterized in that the position of the beam is changed during a measuring period along a predetermined path (100) such that the beam the desired beam impact area (12 ', 66) at one of the beam crosses unprocessed position; that the relative position of the beam with respect to the target beam impact area during this crossing (100a) determined and a corresponding error signal is generated, and that the measuring period is too short that the normal machining process of the beam is not affected by the interruption during the measurement period. 9. Regeleinrichtung für ein technisches Ladungsträgerstrahlgerät zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem hochenergetischen Ladungsträgerstrahl, der von einer Strahl kanone erzeugt und auf das Werkstück gerichtet wird, gekennzeichnet durch ein Meßsystem zur Ermittlung einer etwaigen Abweichung zwischen einem Ist-Strahl aufteff-9. Control device for a technical charge carrier beam device for processing a workpiece with a high-energy charge carrier beam generated by a beam cannon and directed onto the workpiece, characterized by a measuring system to determine any deviation between an actual beam 809846/1023809846/1023 bereich auf dem Werkstück und einem Soll-Strahlauftreffbereich auf dem Werkstück, und zwischen dem Ist-Strahl auftreffbereich und einer von der Lage des Werkstücks unabhängigen Referenzposition und durch eine vom Meßsystem gesteuerte Stelleinrichtung zur Änderung der Relativlage zwischen dem Ist-Strahlauftreffbereich und dem Soll-Strahlauftreffbereich sowie dem Ist-Strahl auftreffbereich und der Referenzposition.area on the workpiece and a target beam impact area on the Workpiece, and between the actual beam impingement area and one of the Position of the workpiece independent reference position and by an adjusting device controlled by the measuring system to change the relative position between the actual beam impact area and the target beam impact area as well as the actual beam impingement area and the reference position. 10. Regeleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzposition auf eine mit dem Iststrahl auftreffbereich zusammenwirkende Hilfseinrichtung bezog ist.10. Control device according to claim 9, characterized in that the reference position is related to an auxiliary device cooperating with the actual beam impingement area. 11. Regeleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Strahlauftreffbereich eine Fuge zwischen zwei durch Strahl schweißen zu verbindenden Werkstückteilen ist und daß die Referenzposition auf eine Einrichtung zum Zuführen von Zusatzmaterial in eine durch den Strahl während des Schweißens erzeugte Schweißzone 1st.11. Control device according to claim 9, characterized in that the target jet impact area has a joint is between two workpiece parts to be joined by beam welding and that the reference position is on a device for feeding filler material into a welding zone created by the beam during welding. 12. Regeleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gelten nze i chnet, daß das Meßsystem einen Röntgensensor enthält, der auf Unterschiede zwischen der vom So11-Strahlauftreffbereich empfangenen Röntgenstrahlung und der von einem dem Soll-Auftreffbereich benachbarten Bereich empfangenen Röntenstrahlung enthält.12. Control device according to claim 9, characterized in that the measuring system contains an X-ray sensor, which contains the differences between the X-ray radiation received from the So11 beam incidence area and the X-ray radiation received from an area adjacent to the target incidence area. 13. Regeleinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Röntgensensor einen Kollimator enthält,13. Control device according to claim 12, characterized in that the X-ray sensor contains a collimator, 809846/1023809846/1023 der den Ansprechbereich des Sensors auf ein bandförmiges Volumen beschränkt, und daß der Sensor so angeordnet ist, daß das bandförmige Volumgen durch den Soll-Strahlauftreffbereich geht.which limits the response range of the sensor to a ribbon-shaped volume, and in that the sensor is arranged so that the band-shaped volume passes through the desired jet impact area. 14. Regeleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung ein Ablenksystem zur Ablenkung des Strahls im Sinne einer Verringerung einer etwaigen Abweichung zwischen Soll- und Ist-Strahlauftreffbereich enthält.14. Control device according to claim 9, characterized in that that the adjusting device has a deflection system for deflecting the beam in the sense of reducing any deviation between the target and actual beam impact area. 15. Regeleinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung die den Strahl liefernde Strahl kanone im Sinne einer Verringerung einer Ablenkung verstellt.15. Control device according to claim 14, characterized in that that the adjusting device adjusts the beam delivering the beam cannon in the sense of reducing a deflection. 16. Regeleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung ein Stellglied zum Aufrechterhalten einer vorgegebenen Lagebeziehung zwischen einer Zusatzmaterialzuführungsvorrichtung und dem Ist-Strahlauftreffbereich enthält.16. Control device according to claim 9, characterized in that that the actuator is an actuator for maintaining a predetermined positional relationship between an additional material supply device and the actual beam impact area. 17. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, d adurch gekennzeichnet, daß das Gerät ein Elektronenstrahl schweißgerät ist.17. Control device according to one of claims 9 to 16, characterized in that the device is an electron beam welding machine is. 18. Regeleinrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine Elektrodenanordnung zur Bestimmung von Abweichungen zwischen der Ist-Lage des Strahl auftreff- bereiches und einer Soll-Lage in Längsrichtung einer zu verschweißenden18. Control device according to claim 17, characterized in that the measuring device has an electrode arrangement for determining deviations between the actual position of the beam impingement area and a desired position in the longitudinal direction of one to be welded 809846/1023809846/1023 Trennfuge enthält und daß die Stelleinrichtung ein Stellglied zum Verstellen der Strahl kanone im Sinne einer Verringerung der Abweichung enthält.Parting line contains and that the adjusting device is an actuator for adjusting the beam cannon contains in the sense of a reduction in the deviation. 19. Regeleinrichtung nach Anspruch 9 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem eine Elektrodenanordnung zur Messung der Orientierung des Strahles kurz vor dem Strahlauftreffbereich enthält und daß die Stelleinrichtung ein Ablenksystem zur Kompensation etwaiger Abweichungen von einer Soll-Orientierung enthält.19. Control device according to claim 9 or 17, characterized characterized in that the measuring system comprises an electrode arrangement to measure the orientation of the beam shortly before the beam impact area and that the adjusting device contains a deflection system to compensate for any Contains deviations from a target orientation. 809846/1023809846/1023