DE3932344A1 - Schaltungsanordnung zur bestimmung des verschleisszustandes der kathode einer elektronenstrahlschweissanlage - Google Patents
Schaltungsanordnung zur bestimmung des verschleisszustandes der kathode einer elektronenstrahlschweissanlageInfo
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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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893932344 DE3932344C2 (de) | 1989-09-28 | 1989-09-28 | Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Verschleißzustandes der Kathode einer Elektronenstrahlschweißanlage |
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DE19893932344 DE3932344C2 (de) | 1989-09-28 | 1989-09-28 | Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Verschleißzustandes der Kathode einer Elektronenstrahlschweißanlage |
Publications (2)
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DE3932344A1 true DE3932344A1 (de) | 1991-04-11 |
DE3932344C2 DE3932344C2 (de) | 1993-10-28 |
Family
ID=6390359
Family Applications (1)
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DE19893932344 Expired - Fee Related DE3932344C2 (de) | 1989-09-28 | 1989-09-28 | Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Verschleißzustandes der Kathode einer Elektronenstrahlschweißanlage |
Country Status (1)
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DE (1) | DE3932344C2 (de) |
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EP1788467A2 (de) | 2005-11-15 | 2007-05-23 | Leuze lumiflex GmbH + Co. KG | Schutzeinrichtung |
CN106925879A (zh) * | 2017-04-10 | 2017-07-07 | 西安智熔金属打印***有限公司 | 一种用于电子束焊机的电子光学控制***及方法 |
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1989
- 1989-09-28 DE DE19893932344 patent/DE3932344C2/de not_active Expired - Fee Related
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