DE1270708B - Einrichtung zum Nahtschweissen eines Werkstueckes mittels eines Ladungstraegerstrahls - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B23k

Deutsche Kl.: 21 h - 32/20 ,,

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1270 708 : ^-«S
P 12 70 708.3-34
13. August 1963
20. Juni 1968

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Nahtschweißen eines Werkstückes mittels eines Ladungsträgerstrahls unter Verwendung einer die Naht abtastenden Fühlvorrichtung, die den Fühlergebnissen entsprechende Signale abgibt, und einer von diesen Signalen gesteuerten Steuervorrichtung zur Beeinflussung des Ladungsträgerstrahls.

Das Schweißen· und Söhneiden mittels Elektronenstrahlen ist ein bekanntes technologisches Verfahren. Dabei wird die hohe kinetische Energie ausgenutzt, die den Elektronen bei starker Beschleunigung erteilt werden kann. Die Übertragung dieser kinetischen Energie auf die Gitterelektronen des Werkstückes erzeugt stärkere Gitterschwingungen, wodurch die Temperatur in der Umgebung des Auftreffbereichs so ansteigt, daß das Material des zu bearbeitenden Werkstückes an dieser Stelle schmilzt und teilweise auch verdampft. Diese Verdampfung läßt wiederum ein tiefes Eindringen des Strahls in das Werkstück zu. Das heißt, große Eindringtiefe kann nur bei Ver- ao dampfen einer feinen Riefe aus dem Material erreicht werden.

Beim Schweißen mit einem Elektronenstrahl ist der optimale Betriebszustand durch eine große Eindringtiefe, durch Vermeiden von Lunkern in der Schweißzone und dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl nur auf das zu bearbeitende Gebiet einwirkt. Die Eindringtiefe ist eine Funktion der Dichte des Elektronenstrahls und der Dichte des Werkstückes. Die Elektronenstrahldichte ist durch die folgende Gleichung definiert:

D —

iV

Einrichtung zum Nahtschweißen

eines Werkstückes

mittels eines Ladungsträgerstrahls

Anmelder:

United Aircraft Corporation,

East Hartford, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

8000 München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

Joseph Herman Cohen, West Hartford, Conn.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 15. August 1962
(217136)

Darin stellt dar
i = Teilchenstrom,

V = Beschleunigungsspannung der Elektronen, A — Brennfleckgröße oder -fläche an der Auftreffstelle des Strahls auf dem Werkstück.

Aus der Gleichung folgt: Wenn die Beschleunigungsspannung und der Elektronenstrom entsprechend der für ein spezielles Werkstück benötigten Elektronenstrahldichte eingestellt sind, kann ein erster optimaler Betriebszustand dadurch eingehalten werden, daß man die Fläche des Brennflecks auf dem Werkstück möglichst klein hält. Für optimale Bedingungen ist es ferner, wie bereits erwähnt, nötig, die Auftreffstelle des Strahls auf dem Werkstück so zu steuern, daß der Strahl nur auf die gewünschte Fläche einwirkt. Als dritter Faktor ist für optimale Schweißung die Größe des Spalts zwischen den zu verschweißenden Werkstückteilen bestimmend. Die Breite des Spalts soll die Zuführungsrate eines Fülldrahts zu der Schweißzone steuern, wo der Fülldraht schmilzt und den Spalt unter Vermeidung von Lunkern verschweißt.

Sollen beispielsweise zwei Werkstückteile stumpf untereinander verschweißt werden, so werden zunächst die Werkstückteile in den Strahlengang gebracht, dann der Strahl auf das eine Ende des zu verschweißenden Spalts fokussiert und dieStrahlungsdichte auf den erwünschten Wert eingestellt. Darauf werden der Strahl und das Werkstück relativ zueinander bewegt, wobei der Strahl entlang der Spaltspur läuft und die Schweißung vollzieht. Wenn der zu verschweißende Spalt keine gerade Linie war, mußte bisher die die Schweißeinrichtung bedienende Person den Schweißvorgang mit dem Auge beobachten und den Auftreffpunkt des Strahls auf das Werkstück von

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Hand steuern, um den Strahl entlang der Spur zu mit der Programmierung des Arbeitsganges zusam-

fuhren. menhängen.

Dafür gibt es drei Methoden, die alle langsam und Bekannt ist auch ein Verfahren zum Verschweißen

ungenau, somit unbefriedigend sind: einer Deckplatte mit einem aus Streifen beliebiger

\ -r» ο* ».π t -L* j u ι. u ■ ⁵ Gestalt zusammengesetzten Bauteil entlang dieser

a) Der Strahl kann senkrecht zu der oben beschne- _{Streifen> Bei äi&}e}£ _{ν&Μαχα wkd der Ba}*_teil ^

benen Relaüvbewegung dadurch abgelenkt wer- ^ Deckplatte mit die Platte durchdringenden Strahden, daß die Bedienungsperson die Ablenkspan- _{leQ abge}f_{astet Wei}terhin wird über einen von der nung des Strahls von Hand verstellt; Strahlung getroffenen Empfänger automatisch ein zur

b) der Strahlerzeuger kann auf elektromechani- io Schweißung dienender Ladungsträgerstrahl so geschem Weg in vertikaler Richtung verschoben steuert, daß er mit einer zur Sehweißung ausreichenwerden; den Intensität nur auf solche Stellen der Deckplatte

c) die Lage des Werkstückes kann durch die Stel- ***täm, unter welchen ein Streifen liegt Bei diesem lung eines beweglichen Tisches, auf dem es ^kannten Verfahren erfolgt also ein Abtasten der liegt, verändert werden. ¹S ^sP^ur> ³^ ^{der die} Schweißung vorgenommen werden

soll, in nur horizontaler Richtung. Dementsprechend

Ein anderer Grund, der bisher das Erreichen eines erfolgt auch die Nachsteuerung des Elektronenstrahls optimalen Betriebszustands mit Elektronenstrahl- nur mittels einer Links-Rechts-Ablenkung des Strahls. Schweißeinrichtungen erschwerte, liegt, wie bereits Dagegen weist das bekannte Verfahren keine Maßerwähnt, darin, daß der Spalt dort breiter ist, wo die ao nähmen zu einer Angleichung des Elektronenstrahls beiden stumpfzuschweißenden Stücke nicht gut zu- bei in der Höhe unebenen Werkstücken auf.
sammenpassen. Bei der Schweißung solcher Stücke Aus dem Gebiet der Lichtbogenschweißung ist fer-

mußte bisher der Strahl während der erwähnten Re-^ ner bekannt, mechanische Abtastvorrichtungen in lativbewegung über dem Spalt hin- und herbewegt Form von in der Schweißfuge laufenden Rollen vorwerden·. Dies ist jedoch oft nicht ausreichend, um die 25 zusehen. Diese stellen horizontale Abweichungen der Bildung von Lunkern zu vermeiden und um eine in zu verschweißenden Spur von einer Geraden fest und Festigkeit und Aussehen gleichmäßige Schweißnaht korrigieren über mechanisch-elektrische Wandler und zu erzeugen. Bei der Lichtbogenschweißmethode eine nachgeschaltete Steuereinrichtung die Elektrowird dieses Problem durch die Zuführung eines Füll- denführung, um eine geradlinige Schweißnaht zu erdrähts in den Lichtbogen während der Schweißung 30 reichen. Die mechanisch-elektrischen Wandler sind gelöst. Eine Übertragung dieser Maßnahme in die dabei als Potentiometer ausgebildet. Auch bei dieser Elektronenstrahl-Schweißtechnik hatte bisher kei- bekannten Schweißeinrichtung sind allerdings keine nen Erfolg, da das Schweißen mit Elektronenstrahlen Maßnahmen vorgesehen, um Fehler in der Schweißgewöhnlich unter Vakuum ausgeführt wird. Dabei naht zu vermeiden, die entstehen können, wenn das treten Schwierigkeiten auf, den Fülldraht ohne Luft- 35 Werkstück Unebenheiten in seiner Höhe aufweist einbrüche in das Vakuum einzuführen. Ferner be- und wenn die Schweißfugenbreite ungleichmäßig ist. reitete es Schwierigkeiten, die Lage und die Zufüh- Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektronen-

rungsrate des Drahts im evakuiertenRaum zu steuern. strahl-Schweißeinrichtung so auszubilden, daß neben

Ein weiteres Problem, das die Einstellung opti- bekannten Maßnahmen zur Nachsteuerung des Elekmaler Sdhweißbedingungen behindert und das in der 40 tronenstraMs bei Abweichungen der Schweißfuge in bisherigen Strahlschweißteehnik ungelöst blieb, tritt der horizontalen Ebene der Werkstückoberfläche von dann auf, wenn die zu bearbeitenden Stücke keine einer Geraden auch Maßnahmen vorgesehen werden, ebene Oberfläche haben. Wie schon erwähnt, muß um Schweißfehler zu vermeiden, die entstehen, wenn zur Erzielung einer großen Eindringtiefe und damit das Werkstück Unebenheiten in vertikaler Richtung einer festen Verschweißung der Elektronenstrahl ge- 45 aufweist und wenn die Schweißfugenbreite ungleichnau auf das Werkstück fokussiert werden. Ändert mäßig ist.

sich die Höhe des Werkstücks, so muß der Brenn- Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Fühlpunkt des Strahls entsprechend geändert werden. vorrichtung so ausgebildet ist, daß sie sowohl die Nach dem Stand der Technik gab es nur zwei Metho- Links-Rechts-Abweichung der Naht in an sich beden, um den Brennpunkt des Strahls während des 50 kannter Weise als auch die Breite und/oder die Höhe Arbeitsganges zu verändern: Einmal wurde der Strom der Naht gegenüber entsprechenden Sollgrößen kontidurch die magnetischen Fokussierungslinsen von nuierlich ermittelt und. daß die nachgeschaltete Hand reguliert, und zum anderen wurde der Strahl- Steuervorrichtung so ausgelegt ist, daß sie die an sich erzeuger gehoben und gesenkt. Dabei mußte der Ar- bekannte Steuerung der Links-Rechts-Ablenkung des beitsgang beobachtet werden. 55 Ladungsträgerstrahls relativ zum Werkstück und

Es wurde bereits vorgeschlagen, sowohl denBrenn- überdies die Steuerung der Größe des Brennflecks punkt als auch die Ablenkung des Strahls mit Vor- des Strahls auf der Schweißstelle und/oder die Zurichtungen, wie sie aus der Rechenmaschinentedhriik ruhrungsgeschwindigkeit von zusätzlichem Schweißbekannt sind, zu programmieren, wenn die Gestalt werkstoff (Fülldraht) zur jeweiligen Schweißstelle des Werkstückes bekannt ist. Dies allerdings erfordert 60 vornimmt.

einen teueren und komplizierten Apparat und eine Eine zweckmäßige Weiterbildung des Erfindungsgenaue Ausmessung und Anfangsjustierung des Werk- gegenstandes kann dadurch gekennzeichnet sein, daß Stückes in der Vakuumkammer der Elektronenstrahl- die Fühlvorrichtung einen um eine horizontale und Schweißeinrichtung. eine vertikale Achse schwenkbar gelagerten Abtast-

Es ist femer bekannt, eine Leitschablone zur 65 stift aufweist, der die gewünschte Auftreffstelle des Steuerung des Strahls zu verwenden. Diese Methode Strahls auf dem Werkstück bei einer Relativbewegung erfordert jedoch eine genaue Nachbildung des Werk- des Strahlerzeugers gegenüber dem Werkstück abstückes und bringt wiederum Probleme mit sich, die tastet, daß ein erster Wandler — in an sich bekannter

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Weise — auf die Schwenklage des Abtaststiftes um aus den Justierwicklungen 24 und 26, der Blende 28 die vertikale Achse anspricht und Signale abgibt, die und aus der magnetischen Linse 32 besteht, zu einem der Horizontallage der gewünschten Auftreffstelle Strahl 30 fokussiert.

entsprechen, und daß ein zweiter Wandler auf die Der Strahl trifft auf das Werkstück 14, wo er seine

Schwenklage des Abtaststiftes um die horizontale 5 kinetische Energie in Form von Wärme abgibt. Das Achse anspricht und Signale abgibt, die der Vertikal- Werkstück 14 liegt auf einem beweglichen Tisch 16 lage der gewünschten Auftreffstelle entsprechen. und kann mit diesem gegen den Strahl verschoben

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Elektronen- werden; zudem kann der Strahl durch die Ablenkstrahl-Schweißeinrichtung in zweckmäßiger Weiter- spulen34, von denen nur ein Paar in Fig. 1 gezeigt bildung dadurch gekennzeichnet sein, daß auf die io ist, über das Werkstück geführt werden. In der Nähe Signale des ersten Wandlers eine erste Vorrichtung der Kathode 20 befindet sich eine Steuerelektrode 36. anspricht, die auf Grund dieser Signale eine Relativ- Diese Steuerelektrode liegt normalerweise auf einer bewegung zwischen dem Strahl und dem Werkstück gegenüber der Kathode negativen Spannung. Die rechtwinklig zur Nahtrichtung bewirkt, und daß auf Größe dieser Vorspannung steuert den Teilchendie Signale des zweiten Wandlers eine zweite Vor- 15 strom in derselben Weise wie die Gitterspannung den richtung anspricht, die die Zuführungsgeschwindig- Elektronenstrahl bei einer übliohen Vakuumtriode, keit von Schweißwerkstoff zur Auftreffstelle ändert in der Vakuumkammer 12 befindet sich eine Vor-

und/oder den Brennfleck des Strahls im Sinn eines richtung, die der Auftreffstelle des Strahls während konstanten Durchmessers an der Auftreffstelle ver- des Schweißvorganges einen Fülldraht zuführt. Die ändert. ao Vorrichtung enthält unter anderem einen Führungs-

Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung stab 40, der die Lage eines flexiblen Zuführungsrohrs wird an Hand der Zeichnungen beschrieben. 52 für den Fülldraht steuert. Der Führungsstab 40

Fig. 1 stellt eine Elektronenstrahleinridhtung dar; ist durch die Wand der Vakuumkammer 12 geführt,

F i g. 2 zeigt eine Teilansioht der Fülldrahtzufüh- so daß ein Arbeiter das Ende des Fülldrahts 42 durch rung; 25 Schwenken des äußeren Endes von Stab 40 an jede

F i g. 3 ist eine Aufsicht auf ein Werkstück, das Stelle des Spalts führen kann. Diese vielseitige Bestumpf geschweißt werden kann; wegung wird von einem Kugelgelenk 44 in der Wand

Fi g. 4 zeigt eine Aufsicht auf die Vorrichtung zur der Vakuumkammer 12 ermöglicht. Ein Dichtungs-Ermittlung der Parameter des Werkstückes und aut ring 46 verhindert Lufteinbrüche am Kugelgelenk 44. die Vorrichtung zur Zuführung des Fülldrahts zur 30 Mit dem äußeren Ende des Stabs 40 kann man also Auftreffstelle des Strahls; unabhängig von der Gestalt des Werkstückes den

Fig. 5 ist ein Querschnitt längs 5-5 von Fig. 1 Fülldraht42 am Spalt entlangführen. Ein zweiter und zeigt die Vorrichtung zur Ermittlung der Para- Dichtungsring kann im Inneren des Kugelgelenks 44 meter des Werkstückes; an der Durchführung des Stabs 40 vorgesehen wer-

F i g. 6 ist eine schematische Darstellung des auto- 35 den, um ein Ein- und Ausfahren des Stabs zu ermögmatischen Steuerkreises für den Auftreffpunkt des liehen. Am äußeren Ende von Stab 40 ist ein dreh-Strahls und für die Zuführungsrate des Fülldrahts barer Steuergriff 48 angebracht, der mechanisch mit gemäß der ermittelten Werkstücksparameter; _t einem Rheostaten und einer geeigneten elektrischen

F i g. 7 ist ein Querschnitt längs 5-5 von F i g. 1 und Schaltung verbunden ist und der einem Arbeiter die zeigt die Vorrichtung zur Ermittlung der Parameter 40 manuelle Steuerung der Zuführungsrate des Fülldes Werkstückes und zur automatischen Steuerung drahts während des Arbeitsganges ermöglicht. Die der Auftreffstelle des Strahls; Zuführungsrate des Drahts wird von der Geschwin-

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der digkeit eines Vorschubmotors bestimmt, der außer-Sdhaltung, die in der Vorrichtung von Fig. 7 für die halb der Vakuumkammer in einem Gehäuse 50 unterSteuerung verwendet werden kann. 45 gebracht ist. Gehäuse 50 enthält eine Fülldrahtrolle

In F i g. 1 wird die Einrichtung zur Erzeugung und und einen Fülldraht-Vorschubmotor, der den Draht Beeinflussung des Elektronenstrahls mit 10 bezeich- 42 durch das flexible Fülldraht-Zuführungsrohr 52 net. Sie umfaßt eine Vakuumkammer 12, in der ein in die Schweißzone schiebt. Durch die Anordnung Werkstück 14 auf einem beweglichen Tisch 16 liegt. des Gehäuses 50 außerhalb der Vakuumkammer er-Es ist auch möglich, das Werkstück außerhalb der 50 reicht man neben leichterer Zugänglichkeit und klei-Vakuumkammer anzuordnen und den Strahl aus der nerer Vakuumkammer den Vorteil, daß der Haupt-Vakuumkammer heraus auf das Werkstück zu len- teil der Ausrüstung nicht für Arbeiten unter Vakuum ken. Die Einrichtung enthält ferner ein Elektronen- geeignet sein muß.

strahlrohr 18 mit einer Elektronenquelle sowie Vor- F i g. 2 zeigt einen Teilschnitt durch die Fülldrahtrichtungen zur Fokussierung des Strahls. Die Elek- 55 zuführung. Aus F i g. 2 sieht man, daß das flexible tronenquelle besitzt eine direkt geheizte Kathode 20, Rohr 52 durch die Außenwand der Vakuumkammer die aus einer Heizstromquelle (nicht dargestellt) mit 12 geführt wird. Ein Dichtungsring 54 verhindert, Heizstrom versorgt wird. Der Kathode 20 wird eine daß außen am Rohr 52 Luft in die Vakuumkammer negative Beschleunigungsspannung von einer nicht dringt. Ein weiterer Dichtungsring 56 im Inneren des gezeigten regulierbaren Gleichspannungsquelle züge- 60 Rohrs 52 verhindert einen Lufteintritt längs des Füllführt. Zwischen der Kathode und dem Werkstück drahts. Das flexible Rohr 52 wird von Stab 40 geist in dem Elektronenstrahlrohr 18 eine rmgförmige führt, dessen gegabeltes Ende mit einem das Rohr 52 Anode 22 angebracht. Die Anode 22 ist mit dem umschließenden Ring 58 verbunden ist. Der Füll-Elektronenstrahlrohr 18 verbunden, das geerdet ist. draht 52 kann also exakt zu jedem Punkt längs der Die Spannungsdifferenz zwischen Kathode 20 und 65 zu schweißenden Spur geführt werden, indem der Anode 22 beschleunigt die von der Kathode emittier- Arbeiter den Führungsstab 40 dreht, ein- oder austen Elektronen in Abwärtsrichtung. Die Elektronen führt. Zusätzlich kann reguliert werden, wie weit der werden von einem elektronenoptischen System, das Fülldraht aus dem Ende des flexiblen Rohrs 52 her-

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ausragt. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird der Fülldraiht 42 nen Gleichstrom-Nebenschlußmotors 70 fließt, beseitlich an den Spalt herangeführt. Für Spalte, die wirkt eine Abnahme des Widerstandes von Wandler gleichmäßige Mengen Füllmaterial pro Längeneinheit 64 eine entsprechende Abnahme des Feldstroms von erfordern, kann jedoch der Fülldraht auch parallel Motor 70, wodurch der Motor schneller läuft. Eine zum Spalt herangeführt werden. 5 Erhöhung der Umlaufzahl von Motor 70, der die In vielen Fällen wird der Spalt zwischen den bei- Fülldrahtspule antreibt, bewirkt die benötigte erhöhte den stumpfzuschweißenden Stücken nicht nur ver- Zuführungsrate des Fülldrahts, um die größere Spaltschieden breit sein, sondern auch von einer geraden breite auszugleichen. Mit dem Rheostat Rl, der par-Linie abweichend. F i g. 3 zeigt einen solchen Fall allel zum Wandler 64 geschaltet ist, kann die Gitteran einem Werkstück 14. Da der Durchmesser des ίο vorspannung und damit der Anodenstrom der Triode fokussierten Strahls bei der Einrichtung in einer Vl auf eine gewünschte Ausgangs-Zuführungsrate Größenordnung von 0,025 mm liegt, muß der Strahl des Fülldrahts eingestellt werden. Durch Widerstandsirgendwie seitlich bewegt werden können, um auch änderungen des Wandlers 64 wird von der durch den kleinen Abweichungen des Spalts von einer geraden Rheostaten R1 eingestellten Gittervorspannung der Linie folgen zu können. Dazu kann entweder der 15 Triode Vl eine Spannung abgezogen, die von der Tisch 16 mit dem Werkstück unter dem Strahl bewegt dem Wandler zugeordneten Spannungsquelle stammt, oder der Strahl mit einem ersten Paar diametral ge- Eine Widerstandsänderung des linearen Wandlers genüberliegender Ablenkspulen über das Werkstück 66, hervorgerufen durch die Abweichung des Spalts geführt werden. Es ist daher auch eine Vorrichtung von einer geraden Linie, erzeugt Steuersignale in derzur Verfolgung des zu verschweißenden Spalts und ao selben Weise, wie bereits oben für den Wandler 64 zur Erzeugung von Steuersignalen entsprechend den erläutert wurde. Die Signale werden von den beiden Abweichungen dieses Spalts von einer geraden Linie Teilen der Triode V 2 verstärkt. Die zweite Stufe dievorgesehen. Die Steuersignale können zur Steuerung ses Verstärkers arbeitet als Kathodenfolger und legt der Strahlablenkung oder zur Einstellung eines be- eine Steuerspannung an den Servomotor 72. Eine wegliohen Strahlerzeugers verwendet werden, wie er 25 Änderung der Achsenstellung des Motors 72 verz. B. in weniger hoch entwickelten Maschinen An- schiebt den Abgriff des Potentiometers 74. Das Powendung findet. Eine Seitenansicht dieser Verfol- tentiometer 74 ist an den Generator für die Ablenkgungsvorrichtung zeigt F i g. 5, während F i g. 4 eine spannung 76 angeschlossen. Der Abgriff des Poten-Aufsieht auf die Fülldrahtzuführung und die Spur- tiometers 74 ist mit einem zweiten Paar Ablenkspulen Verfolgungsvorrichtung zeigt. Die Spurverfolgungs- 30 34 der Elektronenstrahlemrichtung verbunden, die so vorrichtung besteht aus einer Sonde 60 mit einer angeordnet sind, daß sie den Strahl in einer Richtung Spitze von solcher Größe und Gestalt, daß sie bei senkrecht zur Bewegung des Tisches 16 oder senkder Bewegung des Werkstückes in dem Spalt läuft. recht zur Ablenkrichtung des obenerwähnten ersten F i g. 5 zeigt, daß die Sonde kurz vor dem Auftreff- Ablenkspulenpaares beeinflußt. Eine Widerstandspunkt des Strahls in den Spalt greift. Die Sonde 60 35 änderung des Wandlers 66, die eine Lageänderung wird von einem reibungsarmen, kardanischen Lager des Spalts anzeigt, ruft also eine entsprechende An-62 gehalten, das an der Oberseite der Vakuumkammer derung der Achsenstellung des Motors 72 und dabefestigt ist. Wegen der kardanischen Aufhängung duroh eine Korrektur in der Ablenkspannung hervor, kann sich die Sonde 60 horizontal und vertikal dre- die den Auftreffpunkt des Strahls um den erforderhen. Wenn der Spalt breiter wird, sinkt die Spitze der 40 lidhen Betrag nach rechts oder links verschiebt, so Sonde 60 tiefer ein und dreht sich um die Horizontal- daß der Strahl immer im Bereich des Spalts auf das achse der kardanischen Halterung. Wenn der Spalt Werkstück trifft. Mit dem Rheostat R 2 wird die Gitnach rechts oder links von der Mittellage abweicht, tervorspannung der ersten Stufe der DoppeltriodeF 2 dreht sich die Sonde um die vertikale Achse der kar- und dadurch der Abgriff von Potentiometer 74 so eindanischen Halterung. Am Ende der Sonde ist recht- 45 gestellt, daß der Elektronenstrahl auf den Anfang der winklig zueinander ein Paar linearer Wandler 66 und Schweißspur justiert wird.

64 angeschlossen, deren Widerstand variabel ist. Eine F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform der Vorrich-Drehung von Sonde 60 um ihre horizontale und ver- tung, welche verwendbar ist, wenn das Werkstück 14 tikale Achse bewirkt eine Änderung des Widerstandes unregelmäßige Höhe besitzt. Die Verf olgungsvorrichvon Wandler 64 bzw. 66, Diese Widerstandsänderun- 50 rung arbeitet, wie oben beschrieben wurde. Es ist gen werden in elektrische Signale umgewandelt, mit allerdings zusätzlich eine flache Scheibe am Ende der denen die Strahlablenkung und entweder die Zufüh- Verfolgungsvorrichtung angebracht, die die Spitze rungsrate des Fülldrahts oder der Strahlenbrennpunkt der Sonde 60 von einem weiteren Absinken in den gesteuert werden kann, oder beides, wenn geeignete Spalt abhält, falls dieser breiter wird. Die Vorrich-Zusammenstellungen von Wandlern verwendet wer- 55 rung nach Fig. 7 steuert ähnlich wie die nach Fig. 5 den. und 6 die Ablenkung des Strahls so, daß er stets Fig. 6 zeigt die zur Vorrichtung von Fig. 5 pas- auf den zu schweißenden Spalt auftrifft. Abweichend sende elektrische Schaltung. Bei Drehung der Sonde jedoch von der vorher beschriebenen Ausführung 60 um die Horizontalachse der kardanischen Halte- steuert die Vorrichtung von F i g. 7 den Brennpunkt rung 62, abhängig von den Änderungen der Spalt- 60 des Strahls und nicht die Zuführungsrate des Füllbreite, erhöht sich der Widerstand des Wandlers 64, drahts, so daß der Strahl immer auf das Werkstück oder er nimmt ab. Eine Zunahme der Spaltbreite unabhängig von dessen Höhe fokussiert wird. Mit bewirkt eine Abnahme des Widerstandes von Wand- zusätzlichen Wandlern und Schaltungen kann jedoch ler 64. Diese Widerstandsänderung erhöht die Gitter- sowohl die Zuführungsrate des Fülldrahts als auch vorspannung von Triode Vl in negativer Richtung, 65 der Brennpunkt des Strahls gesteuert werden. Eine wodurch der Anodenstrom der Triode entsprechend Schaltung, die dies bewirkt, ist in Fig. 8 dargestellt, abnimmt. Da der Anodenstrom der Triode Vl durch Die in Fig. 8 gezeigte Steuerschaltung für die Abdie Feldspule 68 des in dem Gehäuse 50 vorgesehe- lenkspannung ist dieselbe wie in F i g. 6. Der lineare

Wandler 64 erzeugt hier aber ein Steuersignal zur Einstellung des Stroms durch die magnetische Linse. Das durch die Widerstandsschwankung des Wandlers 64 erzeugte Signal wird von den zwei Stufen der Doppeltriode V 3, deren zweite Stufe als Kathodenfolger arbeitet, verstärkt und steuert die Achsenstellung eines Servomotors 80. Motor 80 steuert seinerseits den Abgriff des Potentiometers 82 und regelt so den Gleichstrom, der einer sättigungsfähigen Drosselspule 84 zugeführt wird. Der der Drosselspule 84 zugeführte Gleichstrom regelt den von einer Wechselstromquelle 86 über die Drosselspule auf die magnetische Linse 32 übertragenen Strom. Auf diese Weise bewirkt eine Zu- oder Abnahme des Widerstandes des Wandlers 64 eine entsprechende Änderung des Stroms durch die magnetische Linse 32, wodurch der Brennpunkt des Strahls kontinuierlich auf die Oberfläche des Werkstückes in jeder Höhe nachfokussiert wird.

Bemerkenswert ist noch, daß bei der Verwendung ao der Ausführungsform nach Fig. 7 und 8 die Steuerung der Zufuhrrate des Fülldrahts von Hand erfolgen kann, indem der Bedienende unter Beobachtung des Schweißvorganges den Steuergriff 48 am Führungsstab 40 in der bereits beschriebenen Weise be- as tätigt. Bei Bedarf ist es einem Fachmann außerdem möglich, eine separate Verfolgungs- und Wandlervorrichtung zur Kontrolle der Spaltbreite zu schaffen und so den ganzen Prozeß zu automatisieren.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Nahtschweißen eines Werkstückes mittels eines Ladungsträgerstrahls unter Verwendung einer die Naht abtastenden Fühlvorrichtung, die den Fühlergebnissen entsprechende Signale abgibt, und einer von diesen Signalen gesteuerten Steuervorrichtung zur Beeinflussung des Ladungsträgerstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlvorrichtung so äusgebildet ist, daß sie sowohl die Links-Rechts-Abweichung der Naht in an sich bekannter Weise als auch die Breite und/oder die Höhe der Naht gegenüber entsprechenden Sollgrößen kontinuierlich ermittelt und daß die nachgeschaltete Steuervorrichtung so ausgelegt ist, daß sie die an sich bekannte Steuerung der Links-Rechts-Ablenkung des Ladungsträgerstrahls (30) relativ zum Werkstück (14) und überdies die Steuerung der Größe des Brennflecks des Strahls (30) auf der Schweißstelle und/oder die Zuführungsgeschwindigkeit von zusätzlichem Schweißwerkstoff (Fülldraht [42]) zur jeweiligen Schweißstelle vornimmt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeiohnet, daß die Fühlvorridhtung einen um eine horizontale und eine vertikale Achse schwenkbar gelagerten Abtaststift (6Oj aufweist, der die gewünschte Auftreffstelle des Strahls (30) auf dem Werkstück (14) bei einer Relativbewegung des Strahlerzeugers (10) gegenüber dem Werkstück (14j abtastet, daß ein erster Wandler (66) in an sich bekannter Weise auf die Schwenklage des Abtaststiftes um die vertikale Achse anspricht und Signale abgibt, die der Horizontallage der gewünschten Auftreffstelle entsprechen, und daß ein zweiter Wandler (64) auf die Schwenklage des Abtaststiftes um die horizontale Achse anspricht und Signale abgibt, die der Vertikallage der gewünschten Auftreffstelle'entsprechen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Signale des ersten Wandlers (66) eine erste Vorrichtung (34) anspricht, die auf Grund dieser Signale eine Relativbewegung zwischen dem Strahl (30) und dem Werkstück (14) rechtwinklig zur Nahtrichtung bewirkt, und daß auf die Signale des zweiten Wandlers (64) eine zweite Vorrichtung (32, 50) anspricht, die die Zuführungsgeschwindigkeit von Schweißwerkstoff zur Auftreffstelle ändert und/ oder den Brennfleck des Strahls im Sinn eines konstanten Durchmessers an der Auftreffstelle verändert.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1072763;
USA.-Patentschriften Nr. 2656447, 2 670423;
»Schweißen und Schneiden«, 13. Jahrgang, 1961, Heft 9, S. 432 bis 436.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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