DE2537981A1

DE2537981A1 - Elektronenstrahl-ablenkeinrichtung

Info

Publication number: DE2537981A1
Application number: DE19752537981
Authority: DE
Inventors: Cecil Arthur Joseph Gay; Leslie George Henry Rockey
Original assignee: British Aircraft Corp Ltd
Current assignee: British Aircraft Corp Ltd
Priority date: 1974-08-31
Filing date: 1975-08-26
Publication date: 1976-03-11
Also published as: US4042801A; FR2283546B1; FR2283546A1

Description

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British Aircraft Corporation Limited, London, England

Elektronenstrahl-Ablenkeinrichtung

Sie Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenstrahl-Ablenkeinrichtung und insbesondere auf Elektronenstrahl-Schweißmaschinen, die eine derartige Elektronenstrahl-Ablenkeinrichtung verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenstrahl-Ablenkeinrichtung zu schaffen, die eine relativ hohe Ablenkgeschwindigkeit aufweist und die es in Anwendung auf eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine ermöglicht, zwei parallele Schweiiäbahnen oder Schweißnähte gleichzeitig auszuführen.

Entsprechend einem Grundgedanken der Erfindung umfaßt die Elektronenstrahl-Ablenkeinrichtung ein ferromagnetisches

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Joch mit entgegengesetzten inneren Polen, die so angeordnet sind, daß sie auf entgegengesetzten Seiten des Elektronenstrahls ausgerichtet werden können, und zwei Strahlablenfcwictlungeη auf Jedem Pol, wobei eine Wicklung jedes Paare· in eine Serienschaltung eingeschaltet ist, die eine Wicklung des anderen Paares in einer derartigen Richtung einschließt, daß die in einem Wicklungspaar durch den zusammenbrechenden Ablenkstrom in dem anderen Paar induzierte Spannung den ansteigenden Ablenkstrom in dem ersterwähnten Wicklungspaar unterstützt.

Eine gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung ausgebildete Elektronenstrahl-Schweiüvorrichtung umfaßt ein Gehäuse und in dem Gehäuse ein Elektronenstrahlerzeugungssystem, Einrichtungen zum Bewegen eines Werkstückes innerhalb des Gehäuses gegenüber dem Elektronenstrahl von dem Elektronenstrahlerzeugungssystem und Elektronenstrahl-Ablenkeinrichtungen mit einem ferromagnetischeη Joch mit entgegengesetzten inneren Polen, die so angeordnet sind, daß sie auf entgegengesetzten Seiten des Elektronenstrahls ausgerichtet sind, und mit einem Paar von Elektronenstrahlablenkwicklungen auf jedem Pol, wobei eine Wicklung jedes Paares in eine Serienschaltung eingeschaltet ist, die eine Wicklung des anderen Paares in einer derartigen Richtung einschließt, daß die in einem Wicklungspaar durch einen zusammenbrechenden Ablenkstrom in dem anderen Paar induzierte Spannung den ansteigenden Ablenkstrom in dem ersterwähnten Paar unterstützt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

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Xn der Ze leimung zeigen:

FIg. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer iSlektronenstrahl-Sehwe ißvorrichtung,

Fig. 2 eine Ausführungsform der Ablenkjoch-*icklungsanordnung,

Fig. 3 eine Ausiührungsiorm der Ablenksteuerschaltung,

Fig. 4 eine abgeänderte Ausf iihrungsiorm der Ablenkjoch«
W icklungsanordnung,

Fig, 5 eine automatische Strahlstrom-Steuerschaltung und

Fig. 6 eine Strahlstrom-MeJäsonde zur Verwendung in der
Schaltung nach Fig. 5·

In Fig. 1 ist eine Ausiührungsform der Schweißmaschine dargestellt, die ein Versteifungsteil 1 an einer Platte 2 mit Hilfe von zwei parallelen durchgehenden Schweißbahnen oder -nähten 5 und 4· anschweißt und ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 5 einschließt, das so aufgebaut ist, daß es in bekannter Weise einen Elektronenstrahl 6 erzeugt.

Der Strahl 6 läuft zwischen Polen 7 und 8 eines ferromagnetischen Bingkernjoches 9 hindurch und (nicht gezeigte) Ablenkwicklungen auf dem Joch werden aus einer in Fig. 3 gezeigten Steuerschaltung angesteuert, so daß der Strahl abwechselnd zwischen den beiden Schweißnähten umgeschaltet
wird. Eine Meßeinrichtung 10, deren Aufgabe weiter unten
beschrieben wird, ist auf einer Seite der unabgelenkten
Strahlstellung angeordnet«. Das Versteifungsteil 1 und die
Platte 2 sind auf einem (nicht gezeigten) Werktisch festgeklemmt, der für eine Bewegung in Richtung des Pfeiles A
ausgebildet ist und die gesamte Anordnung ist in einem evakuierten Gehäuse befestigt, das ebenfalls nicht gezeigt

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Wie es aus Fig» 2 zu erkennen ist, ist an Jedem Pol 7» 8 des Ringkernjoches 9 eine bifilare Ab !.entwicklung 11a, 11b bzw. 12a, 12b'befestigt.

Damit die beiden Schweißnähte 3 und 4 kontinuierlich sind, müssen zwei sich vorwärts bewegende Schweißbäder aufrechterhalten werden, während sich der Arbeitstisch gegenüber dem Strahlerzeugungssystem bewegt, und der Elektronenstrahl muli zwischen den beiden Schweißnähten ausreichend schnell umgeschaltet werden, um ein Schmelzen des Versteifungsteils 1 während der Querbewegung des Strahls zu vermeiden.

Dies wird mit. Hilfe der Ablenkschaltung nach Fig, 3 erzielt, die einen Eechteckgenorator 20 umfaßt, dessen Ausgangsspannung über eine durch zwei teilende Frequenzteilerschaltung 21 abgenommen und als grundlegende Ablenksteuerspannung verwendet wird.

Die Frequenz der Reicht eckschwingungs-Spannung bestimmt die Wiederholfrequenz des Strahlschaltens, während die durch zwei teilende Frequenzteilerschaltung, die immer durch die gleiche Flanke der Rechtecfcschwingung getriggert wird, ein gleichförmiges Einschalt-VAusschalt-Verhältnis ergibt, wodurch es sichergestellt ist, daß der Strahl auf die beiden Schweißnähte für eine gleiche Zeitdauer auftrifft.

lie Ablenfcsteuerspannung wird einer kombinierten Puffer^erötärker- und Bezugssteuerschaltung 22 zugeführt, die zwei gegenphasige Ausgangsspannungen an den Leitungen 23 und 24 erzeugt r Die'&e Spannungen steuern leistungsverstärker 25 bsw. 26* die Brregungsströme an die Ablenkwicklungsabschnitte 11a, 12a in Reihe und 11b, 12b in Reihe liefern. Die Leistungsverstärker 25 und 26 sind so aufgebaut, daß

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sie in einer Konstanfcstrombetriebsar^ arbeiten, damit si?h die erforderliche schnelle Anstiegszeit aes Ablenksystems ergibt» uad diese Leistungsverstärker schließen weiterhin hochstabile Spannungsbezugeeinrichtungen für eine genaue Steuerung der *rfc?derlichen Strompegel ein. Sine programmierbare veränderliche Spannungsbezugeschaltung 27 ermöglicht die Erzeugung voa divergierenden und konvergierenden Verachweißungen.

Die Ablenkwicklungen sind so miteinander verbunden, daß die in den in Reihe geschalteten Abschnitten 11a, 12a durch einen zusammenbrechenden Ablenkstrom in den beiden anderen Abschnitten 11b, 12b induzierte Spannung die ansteigenden Ablenkströme in den Abschnitten 11a, 12a unterstützt und umgekehrt. Saher beschleunigt der aufgrund der Gegeninduktivität der Wicklungen induzierte Strom die Ablenkung des Strahls zwischen ä.^a beiden Schweißnähten, so daß der Strahl ausreichend schnell abgelenkt werden kann, um sicherzustellen, daß sich keine quer verlaufende Versehweiüung oder ein Anschmelzen des Werkstückes ergibt. Bei der abgeänderten Aueführungsi'orm der Ablenkjoch-Wicklungsanordnung nach Fig. 4 umfaßt das Eingkernjoch zwei tell-kreisringförmige Kerne 30, 31* die so angeordnet sind, daß sie einen magnetischen Kreis mit Polen 32, 33 bilden. Bifilare Ablenkwicklungen 34, 35 sind so angeordnet, daß sie aus der Schaltung nach. Fig. 3 la der gleichen weise wie die Wicklungen nach Fig. 2 erregt werden. Bei «jeder Ausführungsform können die beiden Ablenkwicklungen jeweils aus einem verdrillten Lltzen-leiterpaar gebildet werden.

In Fig. 5 ist die Meßeinrichtung 10, die so aufgebaut ist, daß sie ein Impulssignal proportional zum Elektronenstrahlstrom jedesmal dann erzeugt, wenn der Strahl zwischen den beiden Schweißnähten hin und her läuft, mit einer kombiniertenSignalabtast- und Halteschaltung 40 verbunden. Der

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Ausgang dieser Schaltung wird einem Vergleicherverstärker 41 zugeführt, in dem er mit einem Bezugssignal von einer Bezugsquelle 42 verglichen wird. Dieses Bezugssignal wird proportional zum gewünschten Strahlstrom eingestellt.

Der Vergleicherveistärker erzeugt ein Fehlersignal, das von irgendeinem Unterschied zwischen dem tatsächlichen Strahlstrom und dem gewünschten Strahlstrom abhängt und das zur Korrektur des tatsächlichen Strahlstroms verwendet wird.

Bs ist verständlich daß das Elektronenstrahlerzeugungssystem 5 bei sehr hohen negativen Spannungen in der Größenordnung von 150 EV betrieben wird, während die Meßeinrichtung 10 sich praktisch auf Srdpotential befindet= Hierdurch wird eine direkte elektrische Verbindung mit der Slektronenstrahl-Stromsteuerachaltung sehr erschwert und das Fehlersignal wird daher in eines Codierer 43 eodisrt, der eine Lichtquelle 44 derart steuert, daß eine fr«quenzmodulierte Folge von Lichtimpulsen über ein optisches Lichtfaserrchr 45 zu einem Empfänger 46 ausgesandt wird. Der Empfänger ist mit einem geeigneten Demodulator 47 verbunden, der las Fehlers ignal rekonstruiert, das dann einer bekannten Arfc einer Strahlstrom-Btöuerschaltung 48 zugeführt wird.

Die in Fig. 6 gezeigte Meßeinrichtung umfaßt ein dünnwandiges Rohr 50, das ein (nicht gezeigtes) Widerstandselement enthält, das an einem Ende mit dem äußeren Snda 51 des Kohres und am anderen Inde mit dem äußeren Anschluß einer Koaxialbuchse 52 üb^r einen Verbindungsdraht 53 vex-bunden ist. Das Widerstandselement ist mit Hilfe eines ebenfalls nicht gezeigten Glas-Abstandstückes mit Abstand von der Rohrwand angeordnet. Das Rohr 50 ist in einer FTFE-Hülse gehaltert, die an einem Gehäuse 55 befestigt ist, das aus einem massiven Aluminiumblock hergestellt ist, und mit einem Draht 56 mit ,dem Mittelanschluß der Koaxialbuchse

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verbunden.

Im Betrieb ist die Meßeinrichtung an einer geeigneten nicht gezeigten Verlängerung der das Werkstück tragenden Konstruktion befestigt, die sich auf Erdpotential befindet, so daß dann, wenn der Strahl auf das Rohr 50 auftrifft, er über das Widerstandselement auf Erde gelangen kann, so daß eine Impulsspannung an der Koaxialbuchse erzeugt wird. Diese Impulsspannung wird der kombinierten Abtast- und Halteschaltung 40 nach Fig. 5 zugeführt.

Eine automatische Fokussierungssteuerung des Strahls kann dadurch erreicht werden, daß eine weitere Meßeinrichtung 60 hinzugefügt wird, die strichpunktiert in Fig. 5 dargestellt ist, die ähnlich der Meßeinrichtung 10 ist und so angeordnet ist, daß die beiden Meßeinrichtungen aufeinanderfolgend abgetastet werden, wenn der Strahl zwischen den beiden Schweißnähten hin und her läuft.

Es ist verständlich, daß der Strom des Strahls über einen allgemein kreisförmigen Querschnitt entsprechend der Fokussierung des Strahls verteilt ist, so daß die von den beiden Meßeinrichtungen erzeugten Impulssignale eine Sauer aufweisen, die von dem Durchmesser des Strahls abhängt. Daher kann durch Vergleichen der Breite der beiden Impulse in einer Vergleicherschaltung ein Fehlersignal erzeugt werden, das codiert und zur Steuerung der Fokussierung des Strahls über eine optische Verbindungsleitung verwendet werden kann, wie dies an Hand der Steuerung des StrahlStroms beschrieben wurde.

Die Stromsteuerung und die Fokussierungssteuerung können so kombiniert werden, daß eine der Meßeinrichtungen beiden Systemen gemeinsam ist und daß die beiden codierten Fehlersignale über eine einzige optische Verbindungsleitung in

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Multiplex-Form übertragen werden können.

Zwei Beinen von PunktSchweifungen im Gegensatz zu kontinuierlichen Schweifungen können dadurch, erzielt werden, daß die Frequenz des Rechteckschwingungsausgangs von dem Generator 20 verringert wird.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1J Elektronenstrahl-Ablenkeinrichtung mit einem ferromagnetischen Joch mit entgegengesetzten inneren Polen, die auf entgegengesetzten Seiten des Elektronenstrahls anzuordnen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Elektronenstrahl-Ablenfcwicklungen (11a, 11b, 12a, 12b) auf jedem Pol (7, 8) angeordnet ist, daii eine Wicklung jedes Paares in eine Serienschaltung eingeschaltet ist_s die eine Wicklung des anderen Paares in einer derartigen Eichtung einschließt, dad die in einem Paar von Wicklungen durch einen zusammenbrechenden Ablenkstrom in dem anderen Paar induzierte Spannung den ansteigenden Ablenkstrom in dem ersterwähnten Paar unterstützt..
2. Elektronenstrahl-SchweiJSvorrichtung mit einem Gehäuse, in dem ein Elektronenstrahlerzeugungssystem, Einrichtungen zur Bewegung des Werkstückes in dem Gehäuse gegenüber dem Elektronenstrahl von dem Elektronenstrahlerzeugungssystem und Strahlablenkeinrichtungen mit einem ferromagnetischen Joch mit entgegengesetzten inneren Polen angeordnet sind, die auf entgegengesetzten Seiten des Elektronenstrahls ausrichtbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Strahlablenkwicklungen (11a, 11b, 12a, 12b; 34, 35) auf jedem Pol (7, 8; 32, 33) angeordnet ist und daß eine Wicklung jedes Paares in eine Serienschaltung unter Einschluß einer Wicklung des anderen Paares mit einem derartigen Vorzeichen eingeschaltet ist, daß die in einem Wicklungspaar durch einen zusammenbrechenden Ablenkstrom in dem anderen Paar induzierte Spannung den ansteigenden Ablenkstrom in dem ersterwähnten Paar unterstützt.
3. Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Generatoreinrichtungen zur

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abwecaselnden Zuführung einer Spannung an jede Serien-Schaltung mit einer Schwingungsfora derart, daß der Strahl abwechselnd zwischen zwei Schweißpositionen, die mit Abstand quer zur Bewegungsrichtung des Werkstückes angeordnet sind, und mit einer Geschwindigkeit derart abgelenkt wird, daß sich kein wesentliches Anschmelzen des Werkstückes während der ^uerbewegung des Strahls ergibt.
4. Elektronenstrahl-Schwemmvorrichtung nach Anspruch 3$ dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfora derart ausgebildet ist, daß die Verweilzeit an jeder Schweißposition ausreichend kurz ist, um sicherzustellen, daii die Schweißsehmelze in einer Position nicht erstarrt, während der Strahl an der anderen Schweißpcsition yerweilt.
3" Slektroneustrahl-Schweißvorriehtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Strahlstrommebeinrichtung, Einrichtungen zur intermittierenden Ablenkung des Strahls auf die Meßeinrichtung derart, daß ein Signal in Abhängigkeit von dem Strahlstrom erzeugt wird, Vergleieiiei-« einrichtungen zum Vergleich des Signals mit einem Bezugssignal und Einrichtungen zur automatischen Einstellung des Strahlstroms in korrigierendem Sinn entsprechend irgendeinem Unterschied zwischen den beiden Signalen.
6. Elektronenstrahl-Schweiiivorriehtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zwei Strahlstroj&meueinrichtungen (10, 60), die an unterschiedlichen Abständen von dem Elektronenstrahlerzeugungssystem (5) angeordnet sind, Einrichtungen (9) zur intermittierenaen Ablenkung des Strahls über die beiden Strahlstromaeßeinriehtungen (10, 60) in Aufeinanderfolge, derart, dan Signale erzielt werden, deren Dauer von der Breite des Strahls abhängt,

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Vergleichereinrichtungen zum Vergleich der Dauer der aufeinanderfolgenden Signale und Einrichtungen zur automatischen Einstellung der Fokussierung des Eletetronenstrahlerzeugungssystems (5) in korrigierendem Sinne entsprechend irgendeinem Unterschied zwischen den beiden Signalen.

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