DD143571A2

DD143571A2 - Verfahren und einrichtungen zur fokussierung beim bearbeiten mit ladungstraegerstrahlen

Info

Publication number: DD143571A2
Application number: DD21290679A
Authority: DD
Inventors: Karl-Otto Mauer
Original assignee: Mauer Karl Otto
Priority date: 1979-05-16
Filing date: 1979-05-16
Publication date: 1980-09-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtungen zur Kontrolle und Regelung der Fokussierung in Abhängigkeit vom ; technologischen Prozeß bei Arbeitsverfahren mit energiereichen Ladungsträgerstrahlen nach Patent 139 103. Unter den jeweiligen Bedingungen des technologischen Prozesses sollen während des gesamten Prozeßverlaufes meßbare Informationen über die Wechselwirkung zwischen dem Ladungsträgerstrahl und der am Prozeß beteiligten Materie gewonnen und zur Kontrolle und prozeßabhängigen Regelung herangezogen werden. Erfindungsgemäß v/ird bei Elektronen-Strahlverfahren der lonenrückstreustrom und bei lonenstrahlverfahren der Elektronenrückstreustrom gemessen und deren Gleichstromkomponente und/oder Amplitude, Frequenz oder Mittelwert der Wechseistromkomponente einzeln oder miteinander verknüpft zur Kontrolle und/oder prozeßabhängigen Fokussion des LadungsträgerStrahles verwendet. Das Verfahren und die da zugeh'örenden Einrichtungen dienen in Erweiterung der Hauptpatentanmeldung insbesondere der Kontroll- und Regelgenauigkeit auch bei Prozessen mit hoher Strahlleistung. - Figur -

Description

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Verfahren und Einrichtungen zur Fokussierung beim Bearbeiten mit Ladungsträgerstrahlen _____

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtungen zur Ermittlung, Einstellung, Kontrolle und prozeßabhängigen Regelung der Fokussierung energiereicher Ladungsträger-Strahlen, insbesondere zum Schweißen, Schneiden, Schmelzen, Spritzen, Zerstäuben, Verdampfen sov/ie zur Werkstoffbearbeitung nach fl-tenr Ab*> AO2>

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Nach Pa£e*tir ^39-iOJ ±_st bereits bekannt, daß zur Gewinnung von Prozeßinformationen für Kontroll- und Regelgrößen nur bestimmte ladungsträger und/oder Energiespektren und/oder Frequenzspektren des Rückstreu- und/ oder Werkstückstromes ausgewählt werden·

Beim Elektronenstrahlschweißen unter Verwendung des Elektronen ströme s als Proezßmeßgröße hat sich das Verfahren bis Strahlleistungen von ca· 10 kW bewährt. Bei weiterer Erhöhung der Strahlleistung nimmt die geforderte Genauigkeit ab.

Ziel der Erfinl ung

Durch die Erfindung sind deshalb ein Verfahren und Einrichtungen zu schaffen, die es unter den jeweiligen Bedingungen des technologischen Prozesses gestattende! höherer Strahlleistung_: während des Prozeßverlaufes die Fokussierung von energiereichen Ladungsträgerstrahlen zu ermitteln, einzustellen, zu kontrollieren und prozeßabhängig zu regein·

Das Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Einrichtungen zu entwickeln, die es unter den jeweiligen Bedingungen des technologischen Prozesses gestatten, während des Prozeßverlaufes meßbare Informationen Wbex die Wechselwirkung zwischen dem energiereichen Ladungsträgerstrahl und der am Prozeß beteiligten Materie zu erzielen. Die Meßsignale sollen dabei Rückschlüsse auf die Fokussierung des Ladungsträgerstrahles zulassen und so eine Ermittlung, Einstellung, Kontrolle und prozeßabhängige Regelung dieser Fokussierung ermöglichen. Die prozeßabhängige Regelung soll innerhalb vorgegebener Grenzen auch bei zeitabhängigen Veränderungen der Geometrie des elektronenoptischen Systems der Strahlen-

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kanone eine Stabilisierung der Strahlfokussierung gewährleisten. Die Ausübung des Verfahrens soll außerdem im gesamten Strahlleistungsbereich sowie für alle technologischen Verfahren mit energiereichen Ladungsträgerstrahlen gewährleistet sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Elektronenstrahlvsrfahren der lonenrUckstreustrom und bei Ionen strahlverfahr en vorzugsweise der Elektronenrückstreustrom gemessen sowie die Gleichstromkomponente und/üder .Amplitude und/oder Frequenz mid/oder Impulslänge der Y/echselstromkomponente und/oder der Mittelwert zur Fokussierung des LadungsträgerStrahles verwendet werden.

Die Einrichtungen zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch die Gewinnung des Rückstreustromes bestimmt. Dabei ist es erforderlich, daß die gewonnenen Prozeßmeßsignale auch bei Änderungen der Winkelverteilung des Mickstreustromes die Wechselwirkung zwischen dem energiereichen Ladungsträgerstrahl, der am Prozeß beteiligten lüaterie sowie den jeweiligen, momentan vorhandenen Prozeßbedingungen exakt widerspiegeln und die eigene Zeitkonstante des Meß signalerfassungssystems vernachlässigbar gering ist.

Dazu ist es zweckmäßig, für den Rückstreustrom einen ebenen, hinreichend großflächigen Kreisringauffanger mit mögliehst geringem Bohrungsdurchmesser zu verwenden, der räumlich zwischen Strahlenkanone und Werkstück so angeordnet ist, daß die elektronenoptische Achse der Strahlenkanone senkrecht zur Auffängerebene durch dessen Mittelpunkt verläuft.

Dazu ist es zweckmäßig, den Auffänger über eine niederolimige GleichspannungsQuelle und einen möglichst nieder— ohßiigen, induktivitätsarmen Y/iderstand bei entsprechender Polung und vernachlässigbar geringer Störspannung der Spannungsquelle mit Masse zu verbinden, die geringe, am

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Widerstand, abfallende Prozeßmeßspannung einem hinreichend hochohmigen Breitbandverstärker, vorzugsweise einem als integrierten Schaltkreis ausgeführten Operationsverstärker, zuzuführen und besonders auf kapazitätsarme Bau- und Schaltweise zu achten.

Bei Elektronenstrahlverfahren erhält der Auffänger gegen Masse ein bestimmtes negatives Potential, so daß in Abhängigkeit von der Potentialhöhe Elektronen vom Auffänger weitgehend abgestoßen, Ionen jedoch angezogen werden. Bei lonenstrahlverfahren erhält der Auffanger gegen Masse ein bestimmtes positives Potential, so daß in Abhängigkeit von der Potentialhöhe Ionen vom Auffänger weitgehend abgestoßen , Elektronen jedoch angezogen werden,

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung wird eine schemati sehe Darstellung des Auffängers und seiner räumlichen Anordnung beim Elektronenstrahlschweißen sowie das Prinzip zur Gewinnung und Verarbeitung des Prozeßmeßsignals gezeigt. Der von der Strahlenkanone 1 erzeugte Elektronenstrahl der StrahlStromstärke I₀ trifft auf die Oberfläche des im Arbeitsabstand a angeordneten Werkstückes 2 der Dicke s, das sieh, mit der Schweißgeschwindigkeit V_ relativ zum Elektronenstrahl bewegt. Durch entsprechende Abstimmung der einzelnen Prozeßparameter wird'dabei eine Schweißnaht erzeugt. Über dem Werkstück 2 ist im Abstand 1_R ein ebener Kreisringauffänger 3 für den Küokstreustrom I_n

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derart angeordnet, daß die elektronenoptische Achse der Strahlen kanone senkrecht zur Auffangerebene durch dessen Mittelpunkt verläuft· Der Außendurchmesser des Auffängers 3 "beträgt 200 mm und der Bohrungsdurchmesser etwa das Zweifache des Strahldurchmessers. Der mit Isolatoren 4 befestigte Auffänger 3 ist über eine niederohmige Spannungsquelle 3Q_R und einen Voider stand IL· von etwa 10 bis 100JZ mit Masse verbunden. Die mit dem Potentiometer P_R einstellbare negative Potentialhöhe für den Auffanger 3 ist von den Prozeßbedingungen abhängig und beträgt im Mittel 300 V· Am Widerstand R^ wird ein Spannungsabfall gemessen, der dem Ionenrückstreustrom iJj^ direkt proportional ist. Diese Meß spannung wird von einem Operationsverstärker 07 mit 10 kit.Eingangswiderstand und einer Randbreite von 0 bis 0,5 MHz verstärkt und direkt oder über ein Tiefpaßfilter TPF, Bandpaßfilter BPF oder Hochpaßfilter HPF einem Amplituden-Spannungswandler ASYi, Frequenzspannungswandler FSV/, Impulslängen-Spannungswandler LSW und/oder einem Mittelwertbildner MWB zugeführt, deren Zeitkonstante nur einige Millisekunden beträgt.

Die dem jeweiligen Gleichstrom und/oder der Amplitude, Frequenz und/oder Impulslänge der Wechselstromkomponente und/oder dem Mittelwert entsprechende Spannung wird von einem analog oder digital arbeitenden Spannungsmesser SM zur Kontrolle angezeigt und/oder als Regelgröße X in einem analog oder digital arbeitenden elektronischen Kegler, vorzugsweise einem Prozeßrechner P_R, durch Vergleich mit der Führungsgröße V/ und Bereitstellung der Stellgröße Y, die entsprechend auf die Elektronenstrahlfokussierung einwirkt, verarbeitet« Die für die Kontrolle und prozeßabhängige Regelung der Elektronenstrahlfokussierung erforderlichen Charakteristiken werden zuvor in Versuchen ermittelt.

Claims

Erfindungsanspruch

1· Verfahren zur Ermittlung, Einstellung, Kontrolle und proζeßabhängigen Regelung der Fokussierung energiereicher Ladungsträgerstrahlen auf Werkstoff nach Patent Ί3Θ-103 ,insbesondere zum Schweißen, Schneiden, Schmelzen, Setzen, Zerstäuben, Verdampfen sowie zur Werkstoffbearbeitung bei höherer Strahlleistung, gekennzeichnet dadurch, daß bei ElektronenstraMlverfahren der Ionenrückstreustrom (Ijj) und bei Ionenstrahlverf ahren vorzugsweise der Elektron enrückstreustroia gemessen wird, wobei deren Gleichstromkomponente und/oder Amplitude und/oder Frequenz und/oder Impulslänge der Wechselstromkomponente und/oder deren Mittelwert zur Fokussierung des ladungsträgerstrahles verwendet werden·

2· Einrichtung zur Ermittlung, Einstellung, Kontrolle und proζeßabhängigen Regelung der Fokussierung energiereicher Iiadungsträgerstrahlen auf Werkstoff nach Punkt 1, ge kennzeichnet dadurch, daß für den Rückstreustrom (ItO ein ebener, hinreichend großflächiger Kreisringauffänger (3) mit geringem Bohrungsdurchmesser räumlich zwischen Strahlenkannne (1) und Werkstück (2) so angeordnet ist, daß die elektronenoptische Achse der Strahlenkanone (1) senkrecht zur Auffängerebene durch den Auffängermittelpunkt verläuft.

3· Einrichtung zur Ermittlung, Einstellung, Kontrolle und proζeßabhängigen Regelung der Fokussierung energiereicher ladungsträgerstrahlen auf Werkstück nach Funkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Auffänger (3) ' jeweils über eine niederohmige

Gleichspannungsquelle (SQ_R) und einen niederohmigen, induktivitätsarmen Widerstand (ß_R) bei entsprechender Polung und bei vernachlässigbar geringer Störspannung der Spannungsquelle mit Masse verbunden ist, wobei die geringe am Widerstand (Bp) abfallende Prozeßmeßspannung jeweils mit einem hochohmigen Breitbandverstärker, vorzugsweise einen als intergrierten Schaltkreis ausgeführten Operationsverstärker (OV), gekoppelt ist.

_ Hierzu ein Blatt Zeichnungen -