DE3932344A1 - Schaltungsanordnung zur bestimmung des verschleisszustandes der kathode einer elektronenstrahlschweissanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Verschleißzustandes der Kathode einer Elektronenstrahlschweißanlage.

Das Elektronenstrahlschweißen bietet gegenüber konventionellen Schweißverfahren eine Reihe von Vorteilen. Hierzu zählt insbesondere der für das Elektronenstrahlschweißen (EB-Schweißen) charakteristische Tiefschweißeffekt, aufgrund dessen auch dickwandige Bauteile in einem Arbeitsgang meist ohne Zusatzwerkstoffe verbunden werden können. Aus der flankenparallelen Form der Naht resultiert ein stark verminderter Verzug der Bauteile. Um eine gleichbleibende Nahtqualität, sowie einen weitgehend störungsfreien Prozeßablauf vor allem bei der Integration von Elektronenstrahlschweißanlagen in Fertigungsstraßen zu gewährleisten, ist die Kontrolle der prozeßbestimmenden Parameter wie Strahlstrom, Beschleunigungsspannung, Fokussierungsstromstärke, Werkstückvorschub u. a. erforderlich. Zu diesem Zweck werden in der Praxis eine Vielzahl von Parametern überwacht.

Bisher unberücksichtigt geblieben ist der Betriebszustand der Kathode, der jedoch die Strahlqualität stark beeinflußt. So wird aufgrund des Ionenbeschusses und des Verdampfens des Kathodenwerkstoffes die Emissionsfläche der Kathode so weit geschädigt, daß daraus ein geändertes Emissionsverhalten und im weiteren Verlauf ein Ausfall der Kathode resultiert. Dies hat zur Folge, daß der Schweißprozeß zum Auswechseln der Kathode unterbrochen werden muß. Eine Unterbrechung des Schweißprozesses an einem Werkstück bewirkt, daß an der Ansatzstelle Schweißfehler auftreten, so daß das Werkstück als Ausschuß betrachtet werden muß. Um derartige Unsicherheiten zu umgehen, werden die Kathoden derzeit in definierten Zeitintervallen ausgetauscht. Gleichwohl kann auch hierdurch ein unvorhergesehener Kathodenbruch nicht ausgeschlossen werden.

Aus der voranstehend genannten Problematik besteht daher ein grundlegendes Interesse an einer gesicherten Aussage über den Verschleißzustand und an einer Lebensdauervorhersage der Kathode. Dies deshalb, um von vornherein abschätzen zu können, ob die Lebensdauer der Kathode für die Dauer des Schweißprozesses ausreicht.

Die Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Verschleißzustandes der Kathode besteht erfindungsgemäß aus einer Meßeinrichtung zum Erfassen mindestens einer der für die Funktion der Kathode erforderlichen elektrischen Größen, wie z. B. Heizstrom, Heizspannung, Beschleunigungsspannung und Strahlstrom, wobei zwischen einer Auswerteeinrichtung und der Meßeinrichtung Schaltelemente angeordnet sein können, die der Aufbereitung der meßtechnisch gewonnenen Daten dienen.

Nach einer Ausführungsform dieser Schaltungsanordnung kann durch kontinuierliches Messen der von der Kathode während der Dauer des Schweißvorganges aufgenommenen Heizspannung (UHist) und durch Vergleich dieser Spannungswerte mit dem für die jeweilige Kathode charakteristischen Anfangswert der Heizspannung (UHO), Aufschluß über den Verschleißzustand der Kathode erhalten werden. Der Anfangswert der Heizspannung (UHO) stellt hierbei den Wert dar, der bei einer neu eingebauten Kathode erstmalig gemessen wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß von der Meßeinrichtung die von der Kathode während des Schweißvorganges aufgenommene Heizspannung (UHist) während der Dauer des Schweißvorganges kontinuierlich gemessen wird und durch einen Komparator die Differenz aus dem jeweils momentanen Wert der Heizspannung und dem Anfangswert der Heizspannung (Δ UHist = UHist - UHO) gebildet wird, und in einem Komparator mit einem vorgegebenen Wert als Schwellenwert verglichen wird. Hierbei kann bei Überschreiten des vorgegebenen Wertes das Bedienungspersonal durch ein Signal zum Austausch der Kathode während der nächsten prozeßbedingten Maschinenstillstandzeit aufgefordert werden. Mit dieser differenziert betrachteten Heizspannung (Δ UHist) lassen sich die Unterschiede im Anfangswert der Heizspannung, die in erster Linie von der Geometrie der Kathode und den Übergangswiderständen herrühren, eliminieren. Aufgrund des Ionenbeschusses und des Verdampfens des Kathodenwerkstoffes vermindert sich der Querschnitt der Kathode. Diese damit einhergehende Widerstandserhöhung hat bei einem konstanten Strom eine steigende Kathodenheizspannung zur Folge. So wurde durch Versuche ermittelt, daß eine Zunahme des Differenzwertes der Heizspannung Δ UHist um etwa 300 mV die kathode unmittelbar vor dem Bruch steht. Insofern gibt die Heizspannung Aufschluß über den Zustand der Kathode.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal wird die Heizspannung direkt am Heizstromkreis der Kathode gemessen. Hierdurch werden Meßwertverfälschungen durch in der Elektronenstrahlschweißanlage befindliche elektronische Bauteile vermieden. Da der Heizstromkreis der Kathode auf Hochspannungspotential liegt, wird, um die Heizspannung gefahrlos auf Erdpotential zu konvertieren, die Heizspannung mit Hilfe eines Übertragungssystems, bestehend aus einem Sender, einem Lichtwellenleiter und einem Empfänger gemessen.

Ein genauerer Aufschluß über den Verschleißzustand und damit über die Restlebensdauer der Kathode ergibt sich dann, wenn zusätzlich der Anstieg der Heizspannung über die Zeit ermittelt wird; d. h. die Tangentensteigung bestimmt wird. Die Bestimmung der Tangentensteigung erfolgt durch jeweils zwei aufeinanderfolgende Messungen der Heizspannung; aus diesen Heizspannungswerten werden dann die Differenzwerte der Heizspannung aus dem jeweiligen momentanen Heizspannungswert UHist und dem Anfangswert der Heizspannung UHO gebildet. Mit diesen Werten Δ UHist 1 und Δ UHist 2 erfolgt die Bestimmung der Tangentensteigung. Je größer der Winkel α der Tangentensteigung ist, umso größer ist der Verschleiß der Kathode. Anhand von Versuchen konnte beispielsweise festgestellt werden, daß die Tangentensteigung beim Schweißen von Stahl von durchschnittlich 32 mV pro Stunde unmittelbar vor dem Einsetzen des Kathodenbruches auf etwa 132 mV pro Stunde anstieg.

Grundsätzlich besteht natürlich auch die Möglichkeit zur Bestimmung der Tangentensteigung die absoluten momentanen Heizspannungswerte UHist 1 und UHist 2 heranzuziehen.

Der Anstieg ist damit zu erklären, daß mit zunehmender Betriebsdauer der Kathode, der Querschnitt durch einen Flächenabtrag durch den Ionenbeschuß derart geschwächt wird, daß eine Überhitzung der Kathode auftritt, und somit ein intensives Verdampfen einsetzt. Dieses wiederum führt zu einem weiter beschleunigten Abtrag und leitet innerhalb kürzerer Zeit das Versagen der Kathode ein.

Weitere Kriterien zur Bestimmung des Verschleißzustandes der Kathode sind der Strahlstrom IS und die Beschleunigungs­ spannung UB. Für die nachfolgende Betrachtung wird wiederum der Differenzwert von Beschleunigungsspannung und Strahlstrom zugrunde gelegt; d. h. zur Ermittlung des jeweiligen Differenzwertes wird der jeweilige Anfangswert bei einer neu eingebauten Kathode herangezogen.

Diese beiden Werte zeigen unmittelbar vor dem Versagen der Kathode, also dem Kathodenbruch, ein instabiles Verhalten. Die Erklärung hierfür liegt darin, daß die mit dem Verschleiß einhergehende Überhitzung der Kathode eine erhöhte Emissionsstromdichte und damit eine direkte Zunahme des Strahlstromes bewirkt. So konnte festgestellt werden, daß eine Temperaturerhöhung von etwa 0,7% eine Änderung des Strahlstromes um nahezu 16% zur Folge hat. Bei einem vorher eingestellten Sollwert des Strahlstromes konnten im Betrieb kurz vor dem Versagen der Kathode Schwankungen des Stromes von plus/minus 40% beobachtet werden. Derartige Schwankungen im Strahlstrom vermag die in der Elektronenstrahlschweiß­ anlage vorhandene Strahlstromregelung über das Wehneltpotential nicht auszugleichen. Sie sind somit als ein weiteres Anzeichen für den bevorstehenden Bruch der Kathode anzusehen.

Da die Strahlstromregelung einen Einfluß auf die zwischen Anode und Kathode anliegende Beschleunigungsspannung über das Wehneltpotential ausübt, wirken sich derartige Abweichungen des Strahlstromes auch auf die momentane Höhe der Beschleunigungsspannung aus, d. h. auch aus dem Verhalten der Beschleunigungsspannung können Rückschlüsse auf den Verschleißzustand der Kathode gezogen werden.

In der Zeichnung ist die Schaltungsanordnung als Blockschaltbild dargestellt.

Die Bauteile des Blockschaltbildes lassen sich in eine Meßeinrichtung und eine Auswerteeinrichtung unterteilen, wobei zwischen Meßeinrichtung und Auswerteeinrichtung Schaltelemente angeordnet sind, die der Aufbereitung der meßtechnisch erfaßten Daten dienen. Diese Elemente, die nachfolgend soweit erforderlich näher beschrieben sind, sind gängige im Handel erhältliche Bauteile; die Auswerteein­ richtung, der beispielsweise eine Ausgabeeinrichtung in Form eines Druckers nachgeordnet sein kann, kann auf der Basis eines Mikroprozessors aufgebaut sein. Der Auswerteeinrichtung werden zur Bestimmung des Verschleißzustandes und zur Lebensdauervorhersage die folgenden Parameter zugeführt:

Parameter 1: Überschreiten eines Schwellenwertes durch den Differenzwert der Heizspannung, gebildet aus dem jeweiligen momentanen Heizspannungswert und dem Anfangswert der Heizspannung;
Parameter 2: Tangentensteigung des Differenzwertes der Heizspannung Δ UHist;
Parameter 3: Schwankungen des Strahlstromes Δ IS;
Parameter 4: Schwankungen der Beschleunigungsspannung Δ UB.

Das Signal für den Parameter 1 wird wie folgt gewonnen:

Der Istwert der Kathodenheizspannung UH wird durch ein Übertragungssystem, bestehend aus Infrarotlichtsender und Infrarotlichtempfänger, die beide durch einen Lichtwellenleiter verbunden sind, in eine "sample-and-hold"- Schaltung 1c eingespeist, um kurzzeitige Schwankungen in der Heizspannung UH ausschließen zu können. Anschließend erfolgt im Komparator 1a die Differenzbildung aus der momentanen Heizspannung UHist und dem Anfangswert der Heizspannung UHO, aus der der Differenzwert der Heizspannung Δ UHist resultiert.

Der Anfangswert der Heizspannung UHO stellt, wie bereits erläutert, den Wert dar, der unmittelbar nach erfolgtem Kathodenwechsel gemessen wurde und, sofern zur Ermittlung des Verschleißzustandes ein Mikroprozessor eingesetzt wird, in den Speicher UHO abgelegt wurde.

Der momentane Differenzwert der Heizspannung Δ UHist wird in einem Komparator 1b mit einem extern vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Mit dem nachgeschalteten Null-Komparator 1d kann entschieden werden, ob der Schwellenwert überschritten wurde und somit ein Signal an die Auswerteeinrichtung übergeben wird.

Zur Ermittlung des zweiten Parameters wird zunächst der momentane Differenzwert der Heizspannung Δ UHist (2) vor dem Komparator 2a abgegriffen und in den Speicher Δ UHist abgelegt. Gleichzeitig wird im Komparator 2a die Differenz aus dem Wert Δ UHist 2 und dem vor einer Periode in dieser Datei abgelegten Wert Δ UHist 1 gebildet.

Aus diesem Betrag wird anschließend in einem Differentiator 2b die Tangentensteigung bestimmt.

Die Kriterien 3 und 4 resultieren aus dem instabilen Verhalten der Parameter Strahlstrom Δ IS und Beschleunigungs­ spannung Δ UB; beide Werte sind hierbei jeweils auf den Anfangswert des Strahlstromes bzw. der Beschleunigungsspannung zurückbezogen. Die analogen Daten werden jeweils zum einen über eine "sample-and-hold"-Schaltung 3a bzw. 4a, zum anderen nach einer Glättung über einen Addierer 3b bzw. 4b dem Komparator 3c bzw. 4c zugeführt. Im Addierer 3b bzw. 4b wird der zuvor geglättete Meßwert Strahlstrom bzw. Beschleunigungsspannung um einen definierten Betrag erhöht, und so als oberer Grenzwert aufbereitet. Der tatsächliche Meßwert Strahlstrom bzw. Beschleunigungsspannung wird im Komparator 3c bzw. 4c mit dem Grenzwert verglichen. Bei Überschreiten dieses Wertes wird über einen Null-Komparator 3d bzw. 4d der Parameter 3 bzw. 4 als Signal der Auswerteeinrichtung zugeführt.

In der Auswerteeinrichtung werden die vier Parameter über einen geeigneten Algorithmus miteinander verknüpft und ausgewertet. Hierbei können durch eine Graphik-Software die Daten in einer entsprechenden Darstellungsform aufbereitet und durch einen Drucker als Ausgabeeinrichtung dem Bediener zugänglich gemacht werden.

Claims (14)

1. Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Verschleißzustandes der Kathode einer Elektronenstrahlschweißanlage, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung zum Erfassen mindestens einer der für die Funktion der Kathode erforderlichen elektrischen Größen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Auswerteeinrichtung und der Meßeinrichtung Schaltelemente angeordnet sind, die der Aufbereitung der meßtechnisch gewonnenen Daten dienen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der Meßeinrichtung die von der Kathode während des Schweißvorganges aufgenommene Heizspannung UHist während der Dauer des Schweißvorganges kontinuierlich gemessen wird und in der Auswerteeinheit jeweils mit dem Anfangswert der Heizspannung UHO verglichen wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der Meßeinrichtung die von der Kathode während des Schweißvorganges aufgenommene Heizsspannung UHist während der Dauer des Schweißvorganges kontinuierlich gemessen wird, und durch einen Komparator 1a die Differenz aus dem jeweils momentanen Wert der Heizspannung und dem Anfangswert der Heizspannung Δ UHist = UHist - UHO gebildet wird, und in einem Komparator 1b mit einem vorgegebenen Wert als Schwellenwert verglichen wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Beschleunigungsspannung UB proportionales Signal während des Schweißvorganges kontinuierlich von der Meßeinrichtung aufgenommen wird und mit einem vorgegebenen Wert als Grenzwert verglichen wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Strahlstrom Is proportionales Signal während des Schweißvorganges kontinuierlich von der Meßeinrichtung aufgenommen wird und mit einem vorgegebenen Wert als Grenzwert verglichen wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangswert der Heizspannung UHO den Wert darstellt, der bei einer neu eingebauten Kathode erstmalig gemessen wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspannung UH unmittelbar am Heizstromkreis der Kathode gemessen wird.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstieg der Heizspannung UH über die Zeit kontinuierlich ermittelt wird, und daß in einem Differentiator die Tangentensteigung aus jeweils zwei Werten der Heizspannung UHist gebildet wird.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstieg des Differenzwertes der Heizspannung UHist über die Zeit kontinuierlich ermittelt wird, und daß in einem Differentiator (2b) die Tangentensteigung aus jeweils zwei Differenzwerten der Heizspannung Δ UHist gebildet wird.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspannung UH durch eine Übertragungseinrichtung, bestehend aus einem mit Sender und Empfänger versehenen Lichtwellenleiter, gemessen wird.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator 1a eine "sample-and-hold"-Schaltung (1c) vorgeschaltet ist, um kurzzeitige Schwankungen in der Heizspannung für die weitere Auswertung ausschließen zu können.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der momentane Differenzwert der Heizspannung Δ UHist in einem Komparator mit dem vorgegebenen Wert als Schwellenwert verglichen wird, und ein dem Komparator (1b) nachgeschalteter Null-Komparator (1d) vorgesehen ist, durch den entschieden wird, ob der vorgegebene Wert überschritten wurde.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Aufbereitung der jeweils meßtechnisch erfaßten Signale, die der Beschleunigungsspannung UB bzw. dem Strahlstrom IS proportional sind, diese jeweils in eine "sample-and-hold"-Schaltung (3a bzw. 4a) eingegeben werden, und parallel dazu nach Glättung einem Addierer (3b bzw. 4b) zugeführt werden, wobei in dem Addierer (3b bzw. 4b) der zuvor geglättete Wert um einen definierten Betrag erhöht und als oberer Grenzwert aufbereitet wird, und im Komparator (3c bzw. 4c) der jeweils tatsächliche Meßwert mit dem Grenzwert verglichen wird, und im Nullkomparator (3d bzw. 4d) entschieden wird, ob der vorgegebene Wert überschritten wurde.