DD143571A2

DD143571A2 - METHOD AND FACILITIES FOR FOCUSING WHEN WORKING WITH CHARGING JET RADIATORS

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 -The invention relates to a method and devices for controlling and regulating focusing as a function of the technological process in working processes with high-energy charged carrier beams according to patent 139,103. Under the respective conditions of the technological process, measurable information about the interaction between the charged carrier beam and the material involved in the process is to be obtained throughout the entire process and used for control and process-dependent control. According to the invention, the ion backscatter current is measured in electron beam processes and the electron backscatter current is measured in ion beam processes, and their direct current component and/or amplitude, frequency, or mean value of the alternating current component are used individually or in combination for controlling and/or process-dependent focusing of the charged carrier beam. The method and the associated devices serve, in extension of the main patent application, particularly for control and regulation accuracy, even in processes with high beam power. - Figure -

Description

21 29 0 6 -"-21 29 0 6 - "-

Verfahren und Einrichtungen zur Fokussierung beim Bearbeiten mit Ladungsträgerstrahlen _____ Method and devices for focusing when processing with carrier beams _____

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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> The invention relates to a method and devices for determining, setting, control and process-dependent control of the focusing of high-energy carrier beams, in particular for welding, cutting, melting, spraying, sputtering, evaporation as well as for material processing fl-tenr Ab *>AO2>

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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·After Pa £ e * tir ^ 39-ioj ± _s that are selected for the production of process information for monitoring and control variables only certain charge carrier and / or energy spectra and / or frequency spectra of the backscatter and / or workpiece current t already known ·

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.When electron beam welding using the electron flow s as Proezßmeßgröße the process has proven to beam powers of about · 10 kW. If the beam power is further increased, the required accuracy decreases.

Ziel der Erfinl ungPurpose of the invention

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·The invention therefore provides a method and devices which allow it under the particular conditions of the technological process! higher beam power _: to determine, adjust and control the focusing of high-energy carrier beams during the course of the process and to make them process-dependent

Das Wesen der ErfindungThe essence of the invention

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-The invention has for its object to develop a method and devices that allow under the particular conditions of the technological process, during the course of the process measurable information Wbex to achieve the interaction between the high- energy carrier beam and the matter involved in the process. The measurement signals are to allow conclusions about the focus of the charge carrier beam and thus allow a determination, adjustment, control and process-dependent control of this focus. The process-dependent control should also be carried out within predetermined limits in the case of time-dependent changes in the geometry of the electron-optical system of radiation.

-3- 21-3- 21

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.Cannon to ensure a stabilization of the beam focusing. The exercise of the method should also be guaranteed in the entire beam power range and for all technological processes with high-energy carrier beams.

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.According to the invention, this object is achieved in that in Elektronenstrahlvsrfahren the LonenrUckstreustrom and ion beam traversing en preferably the Elektronenrückstreustrom measured and the DC component and / üder .Amplitude and / or frequency mid / or pulse length of the Y / eauschstromkomponente and / or the average value for focusing the charge carrier beam be used.

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.The means for performing the method according to the invention are determined by the recovery of the backscattering stream. It is necessary that the obtained Prozeßmeßsignale even with changes in the angular distribution of the Mickstreustromes the interaction between the high-energy carrier beam, the process involved in the process lüaterie and the respective currently present process conditions exactly reflect and the own time constant of the measurement signal acquisition system is negligible.

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.For this purpose, it is expedient to use for the backscattering flow a flat, sufficiently large Kreisringauffanger with mögliehst small bore diameter , which is spatially arranged between the beam gun and the workpiece so that the electron-optical axis of the beam gun is perpendicular to the Auffängerebene through the center.

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, amFor this purpose it is convenient to the collector via a niederolimige DC voltage source and a low-ohßiigen possible inductance Y / esistance be connected to ground with appropriate polarity and negligible noise voltage of the voltage source, the low, the

α #ϊ « η ti α # ϊ «η ti

Widerstand, abfallende Prozeßmeßspannung einem hinreichend hochohmigen Breitbandverstärker, vorzugsweise einem als integrierten Schaltkreis ausgeführten Operationsverstärker, zuzuführen und besonders auf kapazitätsarme Bau- und Schaltweise zu achten.Resistance, dropping Prozeßmeßspannung a sufficiently high-impedance broadband amplifier, preferably an executed as an integrated circuit operational amplifier, supply and pay particular attention to low-capacitance construction and switching mode.

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, In electron beam method, the collector receives a certain negative potential with respect to ground, so that, depending on the potential level, electrons are largely repelled by the collector, but ions are attracted. In the case of ion beam methods, the catcher receives a certain positive potential with respect to ground, so that, depending on the potential level, ions are largely repelled by the catcher, but electrons are attracted,

Ausführungsbeispielembodiment

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 The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing is a schematic representation of the collector and its spatial arrangement in electron beam welding and the principle for obtaining and processing the Prozeßmeßsignals shown. The electron beam of the beam current I ₀ generated by the beam gun ₁ strikes the surface of the workpiece 2 of the thickness s, which is arranged at the working distance a and moves with the welding speed V_ relative to the electron beam. By appropriate coordination of the individual process parameters, a weld seam is thereby produced. Over the workpiece 2 is at a distance 1 _R a flat circular ring catcher 3 for the Küokstreustrom I _n

-s - 2129 0-s - 2129 0

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.The outer diameter of the collector 3 "is 200 mm and the bore diameter is approximately twice the beam diameter. The collector 3 fixed with insulators 4 is connected to a low-resistance voltage source 3Q _R and a Voider stand IL · from about 10 to 100JZ connected to ground. the adjustable with potentiometer P _R negative potential level for the Auffanger 3 is dependent on the process conditions and is on average 300 V · Am resistance R ^ a voltage drop is measured, the is the ion backscattering power IJJ ^ directly proportional. This signal voltage is amplified by an operational amplifier 07 with 10 kit.Eingangswiderstand and an edge width from 0 to 0.5 MHz and directly or via a low-pass filter LPF, bandpass filter BPF or high-pass filter HPF an amplitude voltage converter ASYi , Frequency voltage converter FSV /, Pulse width voltage converter LSW and / or a mean value generator MWB supplied whose time constant is only a few milliseconds.

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.The voltage corresponding to the respective direct current and / or the amplitude, frequency and / or pulse length of the alternating current component and / or the mean value is displayed by an analog or digitally operating voltmeter SM for checking and / or as controlled variable X in an analog or digitally operating electronic bowler , preferably a process computer P _R , by comparison with the reference variable V / and providing the manipulated variable Y, which acts in accordance with the electron beam focusing processes. The characteristics required for the control and process-dependent control of the electron beam focusing are previously determined in experiments.

Claims

invention claim

1 · Method for determination, adjustment, control and proζeßabhängigen control of focusing high- energy carrier beams on material according to patent Ί3Θ-103 , in particular for welding, cutting, melting, setting, sputtering, evaporation and material processing at higher beam power, characterized in that in ElektronenstraMlverfahren the ion backscattering (Ijj) and in Ionenstrahlverf erhren preferably the electron enrückstreustroia is measured, with their DC component and / or amplitude and / or frequency and / or pulse length of the AC component and / or their mean value are used to focus the charge beam.

2 · Device for determination, adjustment, control and proζeßabhängigen control of focusing energy-rich Iiadungsträgerstrahlen material according to item 1, ge characterized in that for the backscattering (ItO a flat, sufficiently large circular loop catcher (3) with a small bore diameter spatially between beam cannister (1) and workpiece (2) is arranged so that the electron optical axis of the beam gun (1) is perpendicular to the catcher plane through the collector center.

3 · Device for determination, adjustment, control and proζeßabhängigen control of the focus of high-energy carrier beams on workpiece according to item 1 and 2, characterized in that the catcher (3) 'each have a low-impedance

DC voltage source (SQ _R ) and a low-resistance, low-inductance resistor (ß _R ) with appropriate polarity and negligible interference voltage of the voltage source is connected to ground, the low drop across the resistor (Bp) Prozeßmeßspannung each with a high-impedance broadband amplifier, preferably one as integrated Circuit-implemented operational amplifier (OV) is coupled.

_ For this a sheet of drawings -