DE2122282A1

DE2122282A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Folgesteuerung auf einer Schweißnaht beim Elektronenstrahlschweißen

Info

Publication number: DE2122282A1
Application number: DE19712122282
Authority: DE
Inventors: Francois Montlhery; Angely Jean Villejuif; Delort Jean-Pierre Paris; Corcelle (Frankreich)
Original assignee: Nokia Inc
Current assignee: Nokia Inc
Priority date: 1970-05-05
Filing date: 1971-05-05
Publication date: 1971-11-18
Also published as: US3743776A; GB1354575A; BE766667A; FR2087114A5; NL7106123A

Description

DR. MDLLER-BORe D I PL-PH iS. DR. MAN ITZ DIPL-CHEM. DR. DEU FEL DIPL-ING. FINSTERWALD DIPL-ING. GRAMKOW 9 1 ? ? ? £ ? PATENTANWÄLTE

München, de-n ·*
Ve/Sv - G 2334

GOMPAGITIE INDUSTBIELLE DES TELECOmiJNIGATIONS
GIT - ALCATEL

12 rue de la Baume, 75 Paris 8, Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zur Folgesteuerung auf einer Schweißnaht beim Elektronenstrahlschweißen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche es gestatten, beim Elektronenstrahlschweißen ohne manuellen Eingriff das Elektronenbündel auf der Schweißnaht zwischen zwei zu verschweißenden Teilen zu halten.

Die Aufrechterhaltung des Flecks eines Schweißelektronenstrahl-Bündels auf der Schweißnaht muß mit einer guten Genauigkeit gewährleistet sein, wenn die Vorteile genutzt werden sollen, welche das starke Durchdringungsvermögen eines derartigen Elektronenstrahlbündels aufweist. Diese Einstellung des Bündels ist
verhältnismäßig einfach, wenn die Stellung der zu verschweißenden Teile mit einer ausreichenden Genauigkeit in bezug auf das

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Dr. MOIkr-Boi* Dr. Manitz · Dr. D«uM · Dipl.-Ino. RitttarwaM Dipl.-Ina Grflmkow

32 Braum*w«e, Am BOrgarparfc · 8 MOndran 22, Robart-Kodi-StraB· I 7 Stuttgart - Bad Cannitett

T.Won (0S31) 7 38 87 _T<)#fon _[gn}) ^^ ^^ ^^ ^^ MarkWrefl· 3, Τ·Μ«ι (07U) M72il Bank: Zentrallran* Boy«. Volkibanktn, MOndi.n, Kto.-Nr. 9β22 r<MhaWk: MOndun 954»5

Bündel festgelegt ist und wenn die Schweißnaht eine geometrisch einfache Form aufweist. Dies ist nicht mehr der !fall, wenn die Schweißlinie, bzw. die Verbindungslinie eine beliebige Form betrifft.

Die Mehrzahl der herkömmlichen Vorrichtungen gestattet nicht, Präzisionsschweißungen auszuführen, ohne daß sehr genaue mechanische Antriebssysteme verwendet werden. IiLt derartigen Einrichtungen ist es offensichtlich nicht möglich, große Teile im Kesselbau zu verschweißen, und zwar weder wegen des großen Gewichtes dieser Teile, noch wegen der üngenauigkeit, mit welcher ihre Formen bekannt sind.

w Eine demgegenüber verbesserte Vorrichtung ist in der französischen Patentschrift 1 589 4-37 beschrieben. Diese Vorrichtung verwendet einen Schirm, dessen Rand genau dieselbe Form aufweist wie die herzustellende Schweißnaht. Der Rand dieses Schirmes wird parallel zu der Schweißnaht angeordnet, welcher der Fleck folgen soll, und zwar auf einem geringen Abstand \on derselben. Durch eine Querablenkung des Bündels in bezug auf die Schweißlinie läßt sich der Fleck auf dem Rand dieses Schirmes entlangführen. Man überprüft somit seine Stellung, welche korrigiert wird, wenn dies notwendig ist.

Eine noch neuere Einrichtung besteht darin, die Ränder der zwei . zu verschweißenden Teile vorab mit derselben Neigung abzuschrägen und durch diese Abschrägungen rückgestreute Elektronen dazu zu verwenden, um das Bündel auf der Schweißnaht zu halten. Bei einer weiteren Vorrichtung wird die Schweißnaht im voraus durch ein Bündel reduzierter Stärke abgetastet und somit die Richtung des Bündels nach und nach korrigiert.

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Obwohl diese Einrichtungen eine teilweise Lösung des Problemes bieten, erfordern sie dennoch entweder eine Vorbereitungsarbeit, welche einen zeitlichen und finanziellen Verlust darstellt oder weisen eine bestimmte Ungenauigkeit in der Bündelpositionierung auf ο

Die Erfindung gestattet es, diese Schwierigkeiten zu überwinden und eine optimale Positionierung des Elektronenbündels in bezug auf die Verbindungsebene, bzw. die Schweißebene, im Laufe der Verschweißung der zwei Teile beliebiger Form zu gewährleisten.

Die Erfindung verwendet in Übereinstimmung mit der obengenannten Vorrichtung die Rückstreuung der Elektronen des einfallenden Bündels. Sie basiert auf der folgenden Feststellung; solange das Bündel in der Achse äer Verbindungs ebene gehalten ist, ist die Rückstreuung schwach. Sobald das Bündel sich leicht von dieser Stellung entfernt und mehr auf die benachbarte Oberfläche der Verbindungsebene des einen der zwei Teile während der Schweißung auftrifft, wächst die Intensität der Rückstreuung stark und in unsymmetrischer Weise an.

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft das Aufrechterhalten des elektronischen Schweißbündels in der Verbindungsebene, bzw. der Schweißebene, der zwei zu verschweißenden Teile, indem das Maß des rückgestreuten Primär elektronenflus se s verwendet wird und zeichnet sich dadurch aus, daß eine Erhöhung des durch den Rand des einen der Teile rückgestreuten Elektronenflusses eine Querverlagerung des Bündels steuert und dieses in die Verbindungsebene in seine optimale Stellung zurückführt.

Zur Durchführimg des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich besonders eine Vorrichtung, welche zwei Sonden aufweist, welche die rückgestreuten Elektronen auflangen und beiderseits

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der Verbindungse"beiie symmetrisch angeoixiiiet sind und Kit einer elektronischen Sicherheit sregeleinzacL.tuhg "verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die öonuen derart gerichtet sind, daß sie ausschließlich d^n Sti>om der durch den Hand der Lippen der zu verschweißenden Seile rüeingestreut en Elektronen empfangen.

Die oben beschriebene Vorrichtung iireist den Vorteil auf, Sonden einfacher kreiszylindrischer ioru ^r/,u besitzen und zeichnet sich dadurch aus, daß einerseits die bonden aiii Eingang mit einem Schirm ausgestattet sind, welcher von einer Öffnung durchdrungen ist, deren Dux'chuiesser der Intensität des einfallenden ScLweißbündels angepaßt ist und daß andererseits eine Autopolarisation die ßonden c.uf eineiii Potential hält, welches andere Ladungen als die der eigentlichen rückgestreuten Elektronen eliuiniert.

!lan erreicht somit schnelle, reproduzierbare und genaue he s sung en. Un: sie vollkommen ausauvierten, ist es erforderlich, eine Hegeleinrichtung zu verwenden, welche es gestattet, das Bündel sehr schnell in das Zentruia der Verbindungslinie zurückzufuhren, ohne eine oszillatorische <uerbewegung zu erzeugen, welche bei einem Schweißvoi'gang besonders nachteilig ist.

Die oben beschriebene Vorrichtung weist sonit ein Hegelsystem auf, welche das Bündel im Zentruia der Verbindungslinie hält und es im 3?alle einer Abweichung des IPleckes ohne Schwingung dorthin zurückführt und zeichnet sich dadurch aus, daß die Sonden über einen Differentialverstärker mit einem Digital-· Analog-Wandler mit IT Stufen verbunden sind, welcher an die Ablenkspulen ein Signal liefert, dessen Amplitude direkt von

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der Differenz zwischen der Spannung abhängt, welche durch den Differentialverstärker an den Digital-iaialog-Konverter geliefert wird und einer vorgeregelten Spannung· und daß die Signalamplitude annuliert wird, wenn diese Differenz zu ITuIl vjird.

Scliließlicli ist· es erforderlicli, damit die Vorrichtung sicher arbeitet, für den Fall, daß der Pleck die Verbindungsebene verlassen hat, bzw. die Tendenz hätte, sich anormalerweise zu entfernen, beispielsweise infolge der Unterbrechung eines Eleiaentes, Schaltungen vorzusehen, welche mit der Regelung der Stellung des Sündels zusammenwirken.

Die erfiiidungsgemäße Vorrichtung weist somit ein Sicherheitssystem auf, welches eich dadurch auszeichnet, daß das Sicherheitssystem zwei Auslösex¹ mit vorgeregelten Schwellen aufweist, welche auf eine beliebige bekannte Einrichtung einwirken, um das Bedienungspersonal zu benachrichtigen und um die Energie des Jülektroiienstrahlbündels zu vermindern, wenn das Signal den vorgesehenen Schwellwert erreicht hat und der Pleck sich von der Verbindungsebene um eine vorgegebene Strecke entfernt hat.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 das Prinzipschema des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 eine schamatische Darstellung der Regelung, und

Fig. 3 die Ströme, welche durch die Aufnehmer als Funktion der von dem Punkt eingenommenen Stelle aufgenommen werden.

Die Fig. 1 dient zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei 1 und 2 sind zwei zu verschweißende Teile dargestellt _f welche schematisch durch zwei Platten gebildet werden, die bis zur Bezugs stelle 4- durch eine Schweißnaht 3 miteinander verbunden sind. Die noch nicht verschweißten Teile der Teile 1 und 2 sind durch einen sehr schmalen Spalt 5 voneinander getrennt, während ein Elektronenbündel 6 durch eine Kanone geliefert wird, deren Bündel-Konzentraläonseinrichtung durch eine Spule 8 symbolisiert ist. Das Ablenksystem 9 kann das Bündel 6 ablenken. Auf beiden Seiten der Yerbindungsspur befinden sich die Sonden 10 und 11, welche aus Diaphragmaöffnungszylindern wie 12 und 13 gebildet sind, welche der Stärke des Bündels 6 angepaßt sind. Diese Sonden sind mit einem Regelsystem 14 verbunden, welches am Eingang mit einem Differentialverstärker 15 ausgestEfctet ist, welcher auf das Ablenksystem 9 einwirkt, und schließlich ist die Sicherheit si ei tung 16 zu bemerken, welche die Bündel-Konzentrationseinrichtung steuert. Wenn die Verbindungsleitung der zwei Teile geradlinig ist und wenn das Bündel ordnungsgemäß geregelt ist, läuft der Schweißvorgang ungestört und. unbehindert ab. Die zwei identischen und in bezug auf die

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Verbindungsebene symmetrisch angeordneten Sonden nehmen gleiche Ladungen auf, wenn die öffnungen 12 und 13 gleich sind und wenn die zwei Sonden dieselbe Entfernung von den Teilen bei der Schweißung aufweisen. Wenn aus einem nicht näher bestimmten Grund das Bündel 6 die Verbindungs ebene verläßt oder wenn die Schweißlinie aufhört, geradlinig zu verlaufen, wird der eine der beiden Aufnehmer, beispielsweise der rechte Aufnehmer, eine stärkere Ladung empfangen, woraus sich ergibt, daß ein Hegelsignal zu der Regeleinrichtung 14 übertragen wird. Dieses Regelsystem liefert über den Differentialverstärker 15 ein Signal zu den Ablenkspulen 9_f um das Kindel 6 nach links zu versetzen und es auf die Stelle 4 zurückzuführen.

Es versteht sich, daß der rückgestreute Elektronenstrom einer ziemlich starken Erhöhung unterliegt, wenn der Fleck, bzw. der Punkt, fortschreitend die Schweißlinie verläßt. Sobald die geringste Abweichung des Punktes auftritt, wird somit ein ausreichendes Signal gebildet, um eine Wirkung des Regelsystems 14 auszulösen.

Um zu vermeiden, daß die Sonden gesperrt werden, ist es erforderlich, am Eingang derselben ein Diaphragma anzubringen, dessen öffnung der Stärke der verwendeten Schweißung angepaßt ist derart, daß ein ausreichendes Signal geliefert wird, wenn das Bündel die Mitte der Verbindungsebene verläßt und um auch weiterhin ein Signal zu liefern, dessen Wert nicht übermäßig groß ist, wenn der Fleck aufhört, teilweise durch die Verbindungsebene absorbiert zu werden.

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— O —

Ein Autopolarisationssystem der Sonden verhindert, öaß diese thermische Elektx'onen aufnehmen luid die Ionen jeglicher Art, welche während des Betxdebes des Bündels über einer Schweißlinie hervortreten. Diese ij-utopölarisation wird in sehr einfacher V/eise dadurch erreicht, daß ein Widerstand in Reihe mit dem Leiter· vorgesehen ist, welcher von der Sonde vor dem Differenzialverstärker 15 ö.es Regelsystems 14 ausgeht. Im Anfangsaugenblick polarisiert dex* Stx-om, welcher über diesen Wider stand fließt, die Sonde in bezug auf die Lasse. Der Wert dieses Widerstandes wird derart geregelt, daß die Sonde die eigentlichen rückgestreuten ElektxOiien nicht empfängt.

Die i'ig. 2 dient zur Erläuterung des von der Arimelaerin ausgeführten Regelsystemsi

Die von den Sonden 10 und 11 ausgehenden Leiter führen auf den Differentialverstärker 15, welcher am Eingang des Üegelsystems vorgesehen ist. Der Ausgang des Differentialverstärkers 15 ist mit zwei Auslösern 17 und 16 verbunden. Diese Auslöser* steueren jexieils der Reihe nach die logischen Gatter 19 und 2G. Diese Gatter sind auf beiden Seiten mit einem Digital-Analog-Wandlex· 21 mit IT Stufen verbunden, welcher durch einen Impulsgenerator 37 gespeist ist. Dieser Digital-Analog-Wandler wirkt auf einen Differentialverstärker 22, von welchem der eine der· Eingänge 25 auf einem Lotential gehalten ist, welches gleich der Hälfte dex* Spannung ist, welche dex¹ Wandler für¹ II Stufen liefert. Dieser Differential verstärker wirkt seinerseits e.uf cie j^bleiikspulen S der Elektronenkanone ein.

Wenn das auf cio Verbindungεebene zentrierte Elektronen— bündel sich leicht vom Senti-um t.ex· Verb liio/un^s ebene entfernt und ivenii ein "Heil des J?lecks dux"ch die ebene Fläche

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des einen 'ler Teile bei der Schweißung rückgestreut wird, wird eine Lrhuhun^ des Signals erzeugt, welches durcL die Sonde üb ertragen wird, die sich aui" der Seite befindet, gefeit welche der x'leok verlagert \fird: dies sei beispielsweise die rechte Seite, dann übertragt der Differentialverstärker Λ¹) seinerseits ein Signal, welches positiv oder negativ ist, was davon abhängt, ob es von der Sonde 10 oder 11 herkobait. Die Große dieses Signals hängt von der Intensität der Kuckstreuuri^ ab, d. h., von dem Ausmaß, um welches dex¹ l^?lecl: aus dem Zentrum der Verbindungsebene lier^- aas^ebracht ist. ¥erm diese Größe oberhalb eines vorgegebe- -. nen Wertes liegt, überträft dex¹ auslöser 1o das Signal 2Uin logischen Gatter 20. Wenn hingegen das Signal negativ ist, so entspricht es dann einer Information, welche von der Sonde 11 aufgenommen vrurde, so daß der Auslöser 17 das Signal durchläßt, wenn dieses letztere negativ war und einen Lodul oberhalb von £- aufwies. Dieses letattx'e wux^de seinerseits das logische Gatter 19 öffnen.

Das logische Gatter 20 befiehlt die Zählung im Digitaliaialog-Wandler 21, wenn die Spannung, die vom Differentialverstärker 1!p herkommt, x^ositiv ist, während das logische Gatter 19 die Rückzahlung im Digital-Analog-V/andler 21 befiehlt, wenn die vom Dixferentialverstärker kommende Spannung negativ ist. Der Digital-Analog-Wandler mit H Stufen

21 wird in der Stellung -^ derart in den Anfangszustand versetzt, daß seine Ausgangsspannung gleich der Hälfte der Spannung V,, ist, welche ex für N Stufen liefert. Im übrigen umfaßt der Differentialverstärker 22 eine feste Spannung, welche gleich der Spannung V-jü/2 ^^s^ derart, daß dann, wenn das Bündel im Anfangsaugenblick ordnungsgemäß gerichtet ist, keine Wirkung auf die Ablenkspulen ausgeübt wix'd,

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solange die durch den Digital-Analog-Wandlei¹ 21 gelieferte Spannung sich nicht urn einen Absolutwert geändert hat, welcher größer ist als V,-/1T.

Wenn die Verlagerung des Bündels eine Aktion des Differcntialverstärkers 15 und dann eines der Auslöser 17 oder 18 und schließlich das Öffnen eines der Gatter 19 oder 20 nach sich zieht, liefert der Wandler 21 eine von V,t/2 verschiedene Spannung V".

Die Differenz der Spannungen
V" - V

am Eingang des Differentialverstärkers 22 liefert an Ausgang ein Signal an die Spulen 9₅ welches eine Verlagerung des iflecks nach sich zieht, welcher unter der angenommenen Hypothese nach links gebracht wird. Das Elektronenbündel besitzt somit die Tendenz, zu der Schweißlinie zurückzukehren, die Rückstreuung in unsymmetrischer Weise hört fortschreitend auf, und der Verstärker 22 hält seinen letzten Wert. Das Bündel ist dann in seine Gleichgewichtsstellung zurückg ek ehrt.

In der IPig. 2 ist ebenfalls eine Sicherheitseinrichtung dargestellt, welche die zwei Auslöser 23 und 24 aufweist, welche durch Spannungen gesteuert werden, die deu Signal entsprechen, welches die Sonden liefern würde, wenn das Bündel in bemerkenswerter Weise abweichen würde. In diesem Falle wirkt der eine der beiden Auslöser 23 oder 24· auf eine Einrichtung 25 ein, die an sich bekannt ist und welche die Spannung modifiziert, welche an den Wehnelt-Zylinder

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der Elektronenkanone angelegt ist und vermindert die Stärke des Bündels, während sie gleichzeitig ein für das Bedienungspersonal bestimmtes Signal abgibt.

Die Fig. 3 gestattet es, die Arbeitsweise und die Regelanordnung und das Sicherheitssystem besser zu verstehen, indem die dargestellte Graphik erläutert wird.

I¹Ur eine bestimmte Regelung der Sonden 11 und 12 ist in willkürlichen Einheiten der Strom aufgetragen, welcher am Ausgang des Differentialverstärkers 15 geliefert wird, wenn der Fleck die Stellungen 31» 32, 33» 34-, 35 und 36 in bezug auf die Flanken 26 und 27 der zwei zu verschweißenden Teile einnimmt.

Man sieht, daß der Strom Null ist, wenn der Fleck die Stellung 34- genau auf der Mittellinie der Verbindungsebene einnimmt und in gleicher Weise auf den zwei Flanken der zwei Teile anwächst.

Man sieht weiterhin, daß dann, wenn der Fleck weiter in nennenswertem Umfang auf den Hand 26 oder 27 der zu verschweißenden Teile 1 und 2 ausweicht, der Strom ein Maximum durchläuft. Es ist somit möglich, die Sicherheitsauslöser 23 und 24 für Werte zu steuern, welche den Stellungen 33 und 35 entsprechen und auf diese Weise zu vermeiden, daß das Bündel mit voller Leistung die Stellungen 32 oder 31 oder 36 beaufschlagt, was die zu verschweißenden TeiLe beeinträchtigen würde.

Abschließend ist zu bemerken, daß das Verfahren keine genaue Anfangspositionierung des Bündels auf die Schweißverbindung erfordert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nämlich in der Lage, die Verbindung mit einer ausreichen-

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den Genauigkeit zu ermitteln, damit das Regelsystem seine Wirkung beginnt und dann selbst das Bündel in die optimale Lage für die Schweißung positioniert.

- Patentansprüche -

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Claims

1 a ■[; e 11 t a n s ρ r ü c h e

1. Yerxahren auu j.j.alteii eines bohweiijelektronenstralirbün&els in der Vtzi>indun^s ebene, welche durch die Tangente der Öciiweifjlinie mid die .achse des Bündels xestgele^t ist, von zwei yu verschweißenden feilen ,wob ei das Laß des btroues Cox- rückte streuten Priiuärelektronen verwendet wird, welche direkt vom s,ur iiusi'iiiii'Uii^ der Sclu-jeifoun^ verwendeten jJiLuuel 7.31'1'UJIXOIi, dadurcL ^₁ e k e η η ζ e i c Ix 11 e t, daß eine Erliüiiim^ des ütroiues der durcL den Hand des einen der £wei Seile rüek^estreuteii Elektronen eine ^uerverlakerun^. des Bündels steuert, welche die Tendenz Lat, das Bündel von dieseia ü-'eil zii entf ernen und in die Verbindun^sebenc in seine oritii-'ale Position äurück

2. l/orx'ichtun^. 2,ur Durcliiül-Lruix^ ü.es Veri"anrens naoii Ansj)rucL 1, v.'elOij.e i..vrei bonden aufweist, welclie die rückgestreuten OiIe-,truiien au-.-Tai-Lgeij. und beiderseits der Verbiiidvaifvsebene Β^'··>_;.ι&'υχΊβθ.^. an^eoiLaieL siixö and iuit einer elektronischen wiclierheitsre^eleinriclitixng verbünd en r^nd, dadurch g e k e η η ζ e i c l· 11 e t, daß die bonden (10 und 11) derart, gerichtet sine", daii sie Eiusschließlich den btrou dei" durch dtü iiaiid der Lippeit (blanken) der zu verschv/eibendeii x'eile rücl-tj e s tr eut en KL ek 11· on en

Z>- Vurricx-Um^ nach a.nspx'U(.·..!.. 2, welche uit eiiiei.i lie^ols ausgestattet ist, das das Bündel ii.i Zentriau der Schv;eißlinie hält und im x^allo einer ^.bweiclmn^ des ilecks dort iiiii ohxie ibciivrin^un^eii zurüoxcX'ührt, dadurch ^ e k e 11 n- % e i c Ii η e t, daß die ßorideii (1O and 11) über einen 3Jix:i erontialverstllr^ei· (1^) mit einoui Digital-AnalV)L,-

(21) mit ii ütuieu vex-bunden sind, welcher an die

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Ablenlcspulen (9 und 9') ein Signal liefert, dessen Amplitude direkt von der Differenz zwisehen der Spannung abhängt, welche durch den Differentialverstärker (150 &Ώ-den Digital-Analog-Konverter (21) geliefert wird und einer vorgeregelten Sx>annung und daß die Signalauplitude annuliert wird, wenn diese Differenz zu Hull wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, x«relche zylindrische Sonden verwendet, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß einerseits die Sonden aiu Eingang; mit einem Schirm ausgestattet sind, welcher von einer öffnung (13) durchdrungen ist, deren Durchmesser der Intensität des einfallenden Schweißbündels angepaßt ist und daß andererseits eine Autopolarisation die Sonden auf eineu Potential hält, welches andere Ladungen als die der eigentlichen rückgestreuten Elektronen eliminiert.

5· "Vorrichtung nach Anspruch 2, J und 4, welche ein Sicherheitssystem aufweist, dadurch gekennz eich net, daß das Sicherheitssystem zwei Auslöser (17 und Ίο) mit vorgeregelten Schwellen aufweist, welche auf eine beliebige bekannte Einrichtung einwirken, um das Bedienungspersonal zu benachrichtigen und um die Energie des Elektronenstrahlbündels zu verhindern, wenn das Signal den vorgesehenen Schwellwert erreicht hat und der Fleck sich von der Verbindungsebene um eine vorgegebene Strecke entfernt hat.

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