DD139103B1 - Verfahren zur kontrolle und prozessabhaengigen regelung der geometrischen abmessungen mittels durch energiereiche ladungstraegerstrahlen erzeugter schmelzbaeder - Google Patents

Description

Verfahren zur Kontrolle und prozeßabhängigen Regelung der geometrischen Abmessungen mittels durch energiereiche Ladungsträgerstrahlen erzeugter Schmelzbäder

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle und prozeßabhängigen Regelung der geometrischen Abmessungen mittels durch energiereiche Ladungsträgerstrahlen erzeugter Schmelzbäder kompliziert gestalteter Werkstücke unter Ausnutzung der Frequenz der Wechselstromkomponente oder Amplitude von Ladungsträgern, Energie- und Frequenzbereichen des Rückstreu, Werkstück- oder Durchdringungsstromes.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bereits bekannt, die Stromstärke des beim Elektronenstrahlschweißen auftretenden Rückstreu- und Werkstückstromes zur Kontrolle der Schweißnahtgeometrie auszunutzen. Dazu wird die Stromstärke des Rückstreu- oder Werkstückstromes während des Schweißens direkt oder über eine Differenziereinrichtung gemessen oder von einem Registriergerät aufgezeichnet. Als Auffänger für den Rückstreustrom wird eine isoliert befestigte Metallplatte mit geringen Abmessungen verwendet, die gegen Störstrahlung abgeschirmt und zum Prozeßort gerichtet ist. In Abhängigkeit von den verwendeten Schweißparameter^ bei denen jeweils eine bestimmte, an Hand von Schliffen ermittelbare Nahtgeometrie auftritt, ergeben sich dabei unterschiedliche Strorastärkewerte. Änderungen der registrierten Stromstärke während des Schweißprozesses weisen auf Veränderungen der Nahtgeometrie hin. Diese Methode weist folgende Nachteile auf. Der verwendete Auffänger für den Rückstreustrom ist nicht universell für alle Schweißbedingungen verwendbar, da er nur einen eng begrenzten Raumwinkel des Rückstreustromes erfaßt« Damit gilt die Abhängigkeit zwischen der Nahtgeoraetrie und der Stromstärke des Rückstreustromes nur für einen annähernd konstanten Raumwinkel. Änderungen des Raumwinkels während des Schweißens oder in Abhängigkeit von den Schweißpararoetern führen zu unterschiedlichen Stromstärkewerten und damit zu Fehlschlüssen über die Nahtgeometrie. Bei gegebenen Schweißparametern kann von der Stromstärke des Rückstreu- oder Werkstuckstromes nur auf die mittlere Tiefe und Sreite der erzeugten Schweißnaht geschlossen werden, da sich die beim Elektronenstrahlschweißen bekannte Spikebildung (relativ schnelle,

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impulsartige Schwankungen der Nahttiefe um einen Mittelwert) hauptsächlich in der Wechselstromkomponente des Rückstreu- und '.Verkstückstroraes wiederspiegelt. Eine Stabilisierung der Nahtgeometrie während des Schweißens ist nicht möglich, da eine entsprechende Regeleinrichtung fehlt.

Es ist auch bekannt, den Mittelwert des unter bestimmten Elektronenstrahlschweißbedingungen auftretenden Durchdringungsetromes für eine Prozeßregelung zur Stabilisierung der Nahtgeometrie auszunutzen, wobei als Stellgröße die Schweißgeschwindigkeit oder die Strahlstromstärke verwendet wird. Dazu wird der Durchdringungsstrom einer den Mittelwert bildenden Integrierschaltung zugeführt, die mit einer Vergleichsschaltung in Verbindung steht» Die Vergleichsschaltung bildet durch Vergleich des jeweiligen Istwertes mit dem vorgegebenen Sollwert das Signal der Regelabweichung, das über einen Regelverstärker, in dem das zeitliche Verhalten des Reglers eingestellt wird, dem Stellglied für die Schweißgeschwindigkeit oder Strahlstromsärke zugeführt wird, Änderungen des mittleren Durchdringungsstromistwertes bewirken eine Änderung der Schweißgeschwindigkeit oder St rahistroastärke und daait eine Stabilisierung der Schweißnahtgeoaetrie. Die Abhängigkeiten zwischen dem Mittelwert des Durchdringungsstromes und der Schweißgeschwindigkeit oder Strahlstromstärke, das zeitliche Verhalten der Regelstrecke sowie die Grenzwerte sind vorher im Versuch für die jeweiligen Schweißbedingungen zu ermitteln.

Dieses Verfahren weist folgende Nachteils auf. Ein Durchdringungsstrom tritt nur bei Durchschweißung des »Verkstückes auf, so daß das Verfahren nicht universell für jeden Elektronenstrahlschweißprozeß anwendbar ist. Obwohl der als Regelgröße verwendete Mittelwert des Durchdringungsstromes sowohl von der Gleich— als auch von der Wechselstromkomponente (Frequenz, Amplitude und Impulslänge) abhängig ist, wird nur die mittlere Tiefe und Breite der Schweißnaht stabilisiert, da die für die Integrierschaltung erforderliche Zeitkonstante relativ groß ist und dementsprechend Prozeßstörungen nicht schnell genug durch den Regler ausgeglichen werden. Bei Verwendung der Schwsißgeschwindigkeit als Stellgröße im Regelprozeß ist außerdem zu berücksichtigen, daß eine zusätzliche, durch die Trägheit des Antriebssystems begründete Zeitkonstante auftritt und folglich sprungartige Änderungen des Stellwertes nicht verzerrungsfrei übertragen werden.

Es ist weiterhin bekannt, die Amplitude der Hochfrequenzkoraponente des Rückstreustromes für eine Prozeßregelung zur Stabilisierung der Nahtgeometrie auszunutzen, wobei als Stellgröße die Strahlstromstärke oder eine einseitige Ablenkung des Elektronenstrahles in Schweißrichtung verwendet wird. Als Auffänger für den Rückstreustrora wird ein Faraday-Käfig mit geringen Abmessungen verwendet, der zum Prozeßort gerichtet ist. Die dem Rückstreustrora proportionale Meßspannung wird über ein Hochpaßfilter mit der Grenzfrequenz 200 Hz und einen Verstärker einer Gleichrichterschaltung erzeugten Halbwelle der Hochfrequenzkomponente wird durch das Tiefpaßfilter die Hochfrequenzkoraponente abgetrennt, so daß

am Filterausgang die Amplitude der Hochfrequenzkomponente als Istwert zur Verfügung steht. Durch Vergleich des Istwertes mit dem vorgegebenen Sollwert in der Vergleichsschaltung wird das Signal der Regelabweichung erzeugt, das über einen Verstärker dem Stellglied für die Strahlstromstärke zugeführt wird. Änderungen der Amplitude der Rückstreustrom-Hochfrequenzkomponente bewirken eine Änderung der Strahlstromstarke und damit eine Stabilisierung der Nahtgeometrie.

Eine andere Variante dieses Verfahrens besteht darin, daß das Ausgangssignal des dem Hochpaßfilter nachgeschalteten Verstärkers gleichzeitig über einen Impulsformer einen Impulsgenerator zugeführt wird, der Impulse konstanter Amplitude abgibt, die mit den Impulsen der Rückstreustrom-Hochfrequenzkomponente synchronisiert sind. Die Länge der Generatorausgangsirapulse wird durch das nach der vorhergehenden Variante erzeugte Signal der Regelabweichung gestellt. Der Ausgang des Impulsgenerator ist über einen Verstärker mit dem Stellglied für die Strahistromstärke oder Strahlablenkung in Schweißrichtung verbunden. Änderungen der Amplitude der Rückstreustrora-Hochfrequenzkomponente bewirken eine Änderung der Dauer für die Unterbrechung des Strahlstromes oder für die Ablenkung des Elektronenstrahles in SchweiSrichtung und damit eine Stabilisierung der Schweißnahtgeoraetrie. Die Abhängigkeiten zwischen der Amplitude der Hochfrequenzkomponente des Rückstreustroffles und den verwendeten Stellgrößen sind vorher im Versuch für die jeweiligen Schweißbedingungen zu ermitteln. Bei beiden Verfahrensvarianten ist eine stabile Fokuslage erforderlich.

Dieses Verfahren weist folgende Nachteile auf. Da der verwendete Auffänger nur einen eng begrenzten Raumwinkel für den Rückstreustrom erfaßt, können Änderungen des Raumwinkels während des Schweißens oder in Abhängigkeit von den Schweißpararaetern das Meßsignal und damit den Regelprozeß negativ beeinflussen. Da die Regeleinrichtung für beide Verfahrensvarianten als Proportionalregler ausgeführt wurde, ist mit Einschwingvorgängen und Instabilitäten während des Regelprozesses zu rechnen. An die Stabilität der nicht als Stellgröße im Regelprozeß verwendeten Schweißparameter, besonders aber der Fokussierungsstrorastärke und Beschleunigungsspannung, werden erhebliche Anforderungen gestellt, weil sie einen wesentlich größeren Einfluß als die Strahlstrorastärke auf die Leistungsdichte des Elektronenstrahls und damit auf die Amplitude der Rückst reustrora-Hochfrequenzkomponente ausüben. Da jedoch allein die Amplitude der Rückst reustrom-Hochfrequenzkoraponente als Regelgröße verwendet wird, ist der Regelprozeß nur innerhalb relativ enger Grenzen möglich. Nach der ersten Verfahrensvariante werden die mittlere Tiefe und 3reite der Schweißnaht nur näherungsweise stabilisiert, da erst relativ große Änderungen der Strahlstromstärke, die bereits erhebliche Veränderungen besonders der Nahttiefe verursachen, eine merkliche Änderung der Amplitude der Rückst reustrom-Hochfrequenzkoraponente bewirken. Da nach der zweiten Verfahrensvariante der kontinuierliche Schweißvorgang, wenn auch kurzzeitig, durch prozeßabhängige Strahlauslastung oder Herausführung des Strahles aus dem Schmelzbad unterbrochen wird, können besonders bei hohen Leistungsdichten im Elektronenstrahl und/oder größeren Schweißgeschwindigkeiten wegen der geringeren «Värmekapazität und

thermischen Trägheit des Schraelzbades Instabilitäten des Regelprozesses auftreten, so daß lediglich die mittlere Tiefe und Breite der Schweißnaht stabilisiert wird. Die Ermittlung dercptimalen Parameter für die Prozeßregelung ist schwierig, da sich die verwendeten Größen auch gegenseitig beeinflussen, so daß mit Instabilitäten des Regelprozesses zu rechnen ist. Es ist außerdem bekannt, die Amplitude der Niederfrequenzkomponente des Durchdringungsstromes für eine Prozeßregelung zur Stabilisierung der Nahtgeometrie auszunutzen, wobei als Stellgröße die Pendelamplitude des Elektronenstrahles oder die Strahlstromstärke verwendet wird. Die dem Durchdringungsstrom proportionale Meßspannung wird über ein Tiefpaßfilter und eine Vergleichsschaltung, in der der Ist- und Sollwert miteinander verglichen und das Signal der Regelabweichung gebildet werden, einem Regelverstärker zugeführt, in dem das zeitliche Verhalten des Reglers eingestellt wird. Der Ausgang des Regelverstärkers steht mit einem entsprechenden Stellglied für die Amplitude der Elektronenstrahlpenaelung oder für die Strahlstromstärke in Verbindung. 3ei Verwendung der Strahlstromstärke als Stellgröße im Regelkreis wird die Fokussierungsstrorastärke in Abhängigkeit von der sich lastabhängig ändernden Beschleunigungsspannung elektronisch durch eine Rückkopplung verändert, wodurch eine annähernd stabile Fokuslage erreicht wird. Änderungen der Amplitude der Durchdringungsstrom-Niederfrequenzkoraponente bewirken eine Änderung der eingestellten Sollpendelamplitude konstanter Frequenz oder Strahlstromstärke und damit eine Stabilisierung der Schweißnahtgeometrie. Die Abhängigkeiten zwischen der Amplitude der

Durchdringungsstrora-Niederfrequenzkomponente und der jeweils verwendeten Stellgröße, das zeitliche Verhalten der Regelstrecke sowie die Grenzwerte sind vorher im Versuch für die jeweiligen Schweißbedingungen zu ermitteln. Dieses Verfahren weist folgende Nachteile auf. Da ein Durchdringungsstrom nur bei Durchschweißung des Werkstückes auftritt, ist das Verfahren nicht universell für jeden Elektronenstrahlschweißprozeß anwendbar. Obwohl der Regler Störeinflüsse in Abhängigkeit von der verwendeten Zeitkonstante für das Tiefpaßfilter relativ schnell ausgleicht, werden gleichzeitig keine völlig glatte Nahtwurzel und -oberraupe erzielt, da Hochfrequente, mit dem Dampfdruck und Plasma in Verbindung stehende Vorgänge bei diesen) Verfahren nicht in den Regelprozeß eingehen, so daß nur die mittlere Tiefe und Breite aer Schweißnaht stabilisiert wird. Der Hauptnachteil für alle bekannten Lösungen besteht darin, daß die jeweils verwendeten Prozeßgleichungen nur bei Konstanz der nicht als Stellgröße verwendeten Schweißparameter exakt Gültigkeit haben und damit der Regelbereich sowie der universelle Einsatz der Verfahren eingeengt sind. Die Ursache liegt darin begründet, daß der Regelprozeß (Sollwert der Regelgröße, zeitliches Verhalten des Reglers u.a.) nicht den jeweils veränderten Prozeßbedingungen angepaßt wird, was nur mit Hilfe eines Prozeßrechners schnell und sicher gelöst werden kann. Da bei allen bekannten Verfahren lediglich ein einschleifiger Regelkreis verwendet wird, können die mittlere Tiefe und Breite der Schweißnaht zwar stabilisiert, nicht aber gleichzeitig die beim Elektronenstrahlschweißen mit der für gegebene Schweißbedingungen maximal möglichen Leistungsdichte auftretende Spikesbildung minimiert oder gar beseitigt werden. Die Ursache liegt darin begründet, daß die drei Komponenten (Gleichstrom, Niederfrequenz und Hochfrequenz) des Rückstreu-, Werkstück- und Durchdringungsstromes unterschied-

liehe Information über die Prozeßdynamik und damit die Ausbildung der Schweißnaht beim Elektronenstrahlschweißen beinhalten.

Ziel der Erfindung

Durch die Erfindung ist ein Verfahren zu schaffen, welches unter den jeweiligen Bedingungen des technologischen Prozesses gestattet, die Erzeugnisqualität beim 3earbeiten mit energiereichen Ladungsträgerstrahlen zu verbessern.

Das Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dynamik des technologischen Prozesses in geeigneter V/eise derart zu beeinflussen, daß die geometrischen Abmessungen mittels energiereicher Ladungsträgerstrahlen erzeugter Schraelzbäder nicht nur im Mittel stabilisiert werden. Die Verfahrensausübung soll auch dann möglich sein, wenn ein oder mehrere Prozeßpararaeter automatisch an sich während des ProzeSverlaufes ändernde Prozeßbedingungen angepaßt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ausgehend von einem Regelprozeß, insbesondere in Verbindung (uzt einem Prozeßrechner, die Regel- und Stellgrößen derart aufeinander abgestimmt werden, daß während des technologischen Prozesses durch Resonanz eine stabile, erzwungene Prozeßdynamik erzeugt wird und dazu eine durch Frequenzteilung oder -Vervielfachung gebildete Harmonische der Frequenz des Rückstreu-, Werkstück- oder Durchdrin»

gungsstromes verwendet wird.

Es ist auch möglich einen mehrschleifigen Regelprozeß zu realisieren, in dem durch ein oder zwei Regelkreise oder durch eine rechnergestützte Prozeßsteuerung die Parameter des technologischen Prozesses an sich während des Prozeßverlaufes ändernde Bedingungen, wie beispielsweise Änderung des Arbeitsabstandes, der Werkstückdicke und/oder der Arbeitsgeschwindigkeit angepaßt werden und durch einen damit verknüpften, weiteren Regelkreis die stabile, erzwungene Prozeßdynamik erzeugt wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung wird ein 3lockschema des Regelkreises zur Erzeugung der stabilen, erzwungenen Prozeßdynaraik beim Elektronenstrahlschweißen gezeigt.

Der von der Elektronenstrahl-Schweißkanone 1 erzeugte Elektronenstrahl ES trifft auf das Werkstück 2, das sich mit Schweißgeschwindigkeit relativ zum Elektronenstrahl ES bewegt. Durch entsprechende Abstimmung der einzelnen Prozeßparameter wird dabei eine Schweißnaht 3 erzeugt. Im Raum zwischen Elektronenstrahl-Schweißkanone 1 und Werkstück 2 ist ein Auffänger 4 für den Elektronen-Rückstreustrom I isoliert angeordnet, der zum Schweißort gerichtet und über den Widerstand R mit Masse verbunden ist. Am Widerstand R entsteht ein Spannungsabfall, der dem Elektronen-Rückstreustrom I_ direkt proportional ist. Der Widerstand R besteht aus Festwiderständen und ist in Verbindung mit einem Umschalter als Potentiometer geschaltet. In Abhängigkeit von der jeweiligen Schalter-

Stellung wird ein entsprechender Spannungsabfall einero breitbandigen Wechselspannungsverstärker 5 zugeführt, dessen Ausgang mit einem Präzisionsgleichrichter PG und nachgeschaltetem aktiven Tiefpaßfilter TPF in Verbindung steht. Am Ausgang des Tiefpaßfilters TPF steht eine Gleichspannung zur Verfügung, die dem Mittelwert des Elektronen-Rückstreuwechselstromes proportional ist. Diese Gleichspannung wird über einen Analog/Digital-Urasetzer A/D-U als Istwert der Regelgröße I dem Mikrorechner MR zugeführt.

Als Stellgröße in? Regelprozeß wird die Fokussierung des Elektronenstrahles benutzt. Dazu wird in die Ebene der in jeder Elektronenstrahl-Schweißkanone 1 vorhandenen Fokussierungslinse 6 zusätzlich eine induktivitätsarme Fokussierungslinse auf Ferritkernbasis 7 eingefügt, die über einen Leistungsverstäkrer LV angesteuert wird. Die Einstellung der Grundfokussierung für den Elektronenstrahl-Schweißprozeß erfolgt über den durch die Fokussierungslinse б fließenden Fokussierungsstrom !,_. Die Fokussierungslinse 7 ermöglicht innerhalb vorgegebener Grenzen schnelle Änderungen der Strahlfokussierung um die durch die Fokussierungslinse б bewirkte 3rundfokussierung. Für den Regelprozeß wird dem Leistungsverstärker LV eine Sinusspannung zugeführt, die einem extern ansteuerbaren Funktionsgenerator FG entnommen wird. Die Einstellung von Frequenz F und Amplitude A der Sinusspannung am Ausgang des Funktionengenerators FG bewirkt der Mikrorechner MR über entsprechende Steuerwert umsetzer SWU' und SWlU nach dem vorgegebenen Steuerprogramm, Die Eingabeeinheit EE und Ausgabeeinheit AE sind zur Kommunikation mit dem Mikrorechner MR vorgesehen.

Zur Verfahrensausübung werden für die Sinusfunktion, nach der sich die Elektronenstrahlfokussierung um die Grundfokussierung ändert, eine konstante Amplitude A sowie ein konstanter 3ereich für die Frequanz F festgelegt. Der

Frequenzbereich entspricht dabei dem Stellbereich für den Regelprozeß. Die Festlegung der Amplitude und des Frequenzbereiches erfolgt in Abhängigkeit von den Schweißbedingungen. Die Regelgröße I hat über den Frequenzbereich der Stellgröße die Form einer Gauß-Kurve, in deren Maximum eine stabile, erzwungene Prozeßdynamik mit extrem gleichmäßig ausgebildeter Nahtgeometrie auftritt. Das Steuerprogramm für den Mikrorechner MR ist derart aufgebaut, daß der Frequenzbereich in hinreichend kleinen Schritten durchfahren, gleichzeitig die Istwerte der Regelgröße I zwischen zwei Schritten miteinander verglichen und die Frequenz F immer in Richtung eines zunehmenden Istwertes der Regelgröße I verändert werden. Damit stimmt der Mikrorechner MR als Regler den Regelkreis immer auf das Maximum der Regelgröße I ab.

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch

   Verfahren zur Kontrolle und prozeßabhängigen Regelung der geometrischen Abmessungen mittels durch energiereiche Ladungsträgerstrahlen erzeugter Schmelzbäder kompliziert gestalteter Werkstücke unter Ausnutzung der Frequenz der Wechselstromkomponente oder Amplitude von Ladungsträgern, Energie- und Frequenzbereichen des Rückstreu, Werkstück- oder Durchdringungsstromes, gekennzeichnet dadurch, daß die Regel- und Stellgrößen für den Regelprozeß derart aufeinander abgestimmt werden, daß während des technologischen Prozesses durch Resonanz eine stabile, erzwungene Prozeßdynamik erzeugt und dazu eine durch Frequenzteilung oder -Vervielfachung gebildete Harmonische der Frequenz des Rückstreu-, Werkstück- oder Durchdringungsstromes verwendet wird.

   Verfahren zur Xontrolle und prozeßabhängigen Regelung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein mehrschleif iger Regelprozeß realisiert wird, in dem durch ein oder zwei Regelkreise oder durch eine rechnergestützte Prozeßsteuerung die Parameter des technologischen Prozesses an sich während des Prozeßverlaufes ändernde Prozeßbedingungen angepaßt werden und durch einen damit verknüpften, weiteren Regelkreis eine stabile erzwungene Prozeßdynamik erzeugt wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   DE-OS 1690 626 (21g, 21/01)
   DE-OS 1941 255,

   2122 282 (B 23 K, 15/00)
   DE-AS 2443 563 (B 23 K, 15/00)
   Dr.-Ing. V.W. Baschenko, Dr,-Ing. Karl-Otto Mauer:

   Untersuchungen zur Durchdringungs- jnd Rücksireustrahlung aus dem Dampf kanal beim Elektronenstrahlschweißen, Z!S-Mitt 18(1976) 9, S. 923-936;
   Dr.-Jng. V.W, Baschenko, Dr.-Ing. Karl-Otto Mauer:

   Untersuchungen zum mittleren Druchdringungs-Rückstrom beim Elektronenstrahlschweißen, Z!S-Mitt 18(1976)11, S. 1171- 1176

   Hierzu ein Blatt Zeichnungen