DD206960A1

DD206960A1 - Verfahren zur zentrierung von ladungstraegerstrahlen

Info

Publication number: DD206960A1
Application number: DD23329181A
Authority: DD
Inventors: Karl-Otto Mauer
Original assignee: Mauer Karl Otto
Priority date: 1981-09-15
Filing date: 1981-09-15
Publication date: 1984-02-15
Also published as: DD206960C2; DD206960B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Zentrierung von Ladungstraegerstrahlen. Ziel ist, die Arbeitsproduktivitaet zu erhoehen und die Erzeugnisqualitaet zu verbessern. Die Aufgabe, ein Verfahren zur Zentrierung eines Ladungstraegerstrahles zu entwickeln wird dadurch geloest, dass der Ladungstraegerstrahl in der x-y-Ebene eines speziellen mit einem tiefen, schmalen Kreuzspalt versehenen Werkstueckes bei in Abhaengigkeit von der Strahlleistung hinreichend hoher Geschwindigkeit auf einer Kreisbahn derart rotiert, dass der Mittelpunkt dieses Kreises mit dem Spaltkreuzungspunkt zusammenfaellt, wobei gleichzeitig die Fokussierung des Ladungstraegerstrahles im Bereich zwischen der Unter- und Ueberfokussierung periodisch geaendert und die durch die Zentralisierungsspulen fuer die x- und y-Richtung fliessenden Gleichstroeme in schrittweiser Naehrung von Hand oder automatisch derart variiert werden, dass die Maxima der im Rueckstreustrom bei Durchgang des Ladungstraegerstrahles durch den Spalt entstehenden Impulse bei Unter-, Scharf- und Ueberfokussierung jeweils an den gleichen Stellen auftreten und damit der Impulsabstand konstant ist.

Description

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Verfahren zur Zentrierung von Ladungsträgerstrahlen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zentrierung von Ladungstragerstrahlen, insbesondere zum Schweißen, Schneiden, Spritzen sowie zur Werkstoffbearbeitung.

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ss ist "bereits bekannt, die Zentrierung eines Ladungsträgerstrahles innerhalb der Strahlenkanone nach, subjektiven Kriterien durch den Anlagenbediener einzustellen. Dazu werden der Ladungsträgerstrahl bei relativ geringer Strahlleistung bezüglich der Werkstückebene periodisch unter- und Überfokussiert und gleichzeitig die durch die Zentrierungsspulen für die x- und y- Richtung fließenden Gleichströme so lange variiert, bis der Ladungsträgerstrahl bei Ausführung dieser Operation in der z-y-Bbene des Werkstückes eine unveränderte Position einnimmt.

nachteilig bei dieser Verfahrensweise ist die ungenügende Reproduzierbarkeit, wobei hohe .Anforderungen an die fächliche Qualifikation und praktische Erfahrung des inlagenbedieners gestellt werden. Mit zunehmender Strahlleistung sinkt die Genauigkeit bei dieser Verfahrensweise, da vom Strahlauftreffort gleichzeitig eine intensive Lichtemission ausgeht, die den Operator in der Beobachtung behindert.

Es ist auch bekannt, die durch die Einwirkung des Ladungsträgerstrahles vom Prozeßort ausgehende Sekundäremission (Bückstreu-, Werkstück- und Ionenstrom) zu messen und die Änderung einzelner Komponenten dieser Meßsignale (Frequenz, -Amplitude und Impulslänge des Wechselstromes sowie Gleichstrom) in Abhängigkeit von der Leistungsdichte und ihrer Verteilung in der Umgebung des Arbeitsfleckes, die

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wesentlich, durch die Strahlzentrierung "beeinflußt werden, als Einstellkriterium zu nutzen. Alle diese Verfahren "basieren auf der Erreichung der für gegebene Prozeßbedingungen maximal möglichen Leistungsdichte im Arbeitsfleck, bei der die einzelnen Meßsignalkomponenten einen charakteristischen Wendepunkt aufweisen (Frequenzmaximum, Amplituden-, Impulslängen- und Gleichstromminimum). Die Yerfahrensausübung geschieht ron Hand oder automatisch nach der Methode der schrittweisen Häherung. Besonders bei Messung und Auswertung des Ionenstromes sind auch hohe Strahlleistungen möglich» Auch diese Verfahren stellen hohe Anforderungen an die fachliche Qualifikation und praktische Erfahrung des Anlagenbedieners, da die Schmelzbaddynamik und damit die läe-ßwertänderung bei maximaler Leistungsdichte im Arbeitsfleck am größten sind«

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Zentrierung eines LadungsträgerStrahles innerhalb der Strahlenkanone zu schaffen, welches auch ohne spezielle Kenntnisse und Erfahrungen des Operators einen hohen Grad der Eeproduzierbarkeit gewährleistet und die Erzeugnisqualität und Arbeitsprodukt!Yitat verbessert.

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Has Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zentrierung eines LadungsträgerStrahles innerhalb der Strahlenkanone zu entwickeln, wobei Maßnahmen Torzuschlagen sind, die auf einfache Weise im gesamten Strahlleistungsbereich einen hohen Grad der Eeproduzierbarkeit gewährleisten und einen weitgehend automatischen Prozeßablauf ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Ladungsträgerstrahl in der z- und/oder 7- Ebene eines speziellen, vorzugsweise mit einem tiefen, schmalen Kreuz- oder Doppelkreuzspalt versehenen Werkstückes bei in Abhänglikeit von der Strahlleistung zur Verhinderung von Werkstückoberflächenaufschmelzung hinreichend hoher Geschwindigkeit vorzugsweise auf einer Kreisbahn derart rotiert, daß der Mittelpunkt dieses Kreises mit dem Spaltkreuzung spunkt zusammenfällt, wobei gleichzeitig die Fokussierung des Ladungsträgerstrahles bezüglich der Werkstückebene im Bereich zwischen der Unter- und Überfokussierung periodisch geändert und die durch die Zentrierungsspulen für die x- und y- Eichtung fließenden Gleichströme nach der Methode der schrittweisen Näherung von Hand oder automatisch, insbesondere nach einem Rechnerprogramm derart variiert werden, daß die Minima der im vorzugsweise von einem Kreisringauffanger erfaßten Hückstreustrom bei Durchgang des Ladungsträgerstrahles durch den jeweiligen Spalt entstehenden Impulse bei Unter-, Scharf- und über-

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fokussierung "bezogen auf den Kreisumfang jeweils an den gleichen Stellen auftreten und damit der Impulsabstand konstant ist.

Bs ist auch möglich, insbesondere wenn die Breite des Kreuzoder Doppelkreuzspaltes in der gleichen Größenordnung wie der Strahldurchmesser im Fokus liegt, die .Amplitude der Rilckstreustromimpulse als Meßkriterium zu nutzen und die Zentrierungseinstellung des Ladungsträgerstrahles in schrittweiser Näherung vorzunehmen, daJ3 die Impulsamplituden konstant sind.

Zur Ausübung des Verfahrens werden die den sinusförmigen Ablenkströmen der Strahlenkanone proportionalen Spannungen, zwischen denen eine Phasenverschiebung von 90° besteht, entsprechend dem x- und y-Eingang eines Oszillographen oder Monitors zugeführt, wobei auf dem Bildschirm ein dem technologischen Ladungsträgerstrahl synchronisierter Kreis abgebildet wird, dessen Mittelpunkt mit dein Fadenkreuzungspunkt zusammenfällt. Zur Erhöhung der Einstellempfindlichkeit ist es vorteilhaft, zwischen den Kreisdurchmessern auf der Werkstückoberfläche und dem Bildschirm einen Yergrößerungsmaßstab zu verwenden. Gleichzeitig wird die dem Bückstreustrom proportionale Meßspannung einer elektronischen Schaltanordnung, bestehend aus Verstärker, Komparator oder Trigger und Gleichrichterdiode zugeführt, in der aus den Rückstreustromiinpiilsezi, zeitlich synchron, kurze, negative Hechteckimpulse konstanter Amplitude gewonnen werden, die zum Z-Eingang des Oszillographen oder Monitors gelangen und der Helligkeitsmodulation dienen, so daß genau in den Augenblicken, in denen der technologische Ladungsträgerstrahl den jeweiligen Spalt durchläuft, auf dem vom Bildschirm wiedergegebenen Kreis Leuchtpunkte entstehen. Die Einstellung der Strahlzentrierung erfolgt in schrittweiser Näherung derart, daß die Leucht-

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punkte auf dem Bildschirmkreis für Unter-, Scharf- und Überfokussierung des technologischen Ladungsträgerstrahles genau im Fadenkreuz liegen·

Zur Ausübung des Verfahrens ist es auch möglich, die Zeit zwischen den einzelnen, den Spaltduxhlauf charakterisierenden Eückstreustromimpulsen zu messen, indem die dem Bückstreustrom proportionale Meßspannung direkt oder über eine elektronische Schaltanordnung zur Festlegung definierter Meßbedingungen, "bestehend aus Verstärker, Komparator oder Trigger, Differenzierglied und Gleichrichterdiode, einem Analog- oder Digitalmeßgerät, vorzugsweise einem Universalzähler, zur Periodendauermessung zugeführt wird und die Zentrierungseinstellung des Ladungsträgerstrahles in schrittweiser Näherung derart erfolgt, daJ3 die Periodendauer für Unter-, Scharf- und Überfokussierung konstant ist. Sine weitere Variante zur Veriahrensausübung besteht im auf Analog- oder Oigitalbasis erfolgenden zeitlichen Vergleich zwischen aus den AblenkstrSmen für die Strahlenkanone im Augenblick der Nulldurchgänge gewonnenen Sollimpulsen und den Spaltdurchlauf charakterisierenden, im Sückstreustrom enthaltenen Istimpulsen, wobei die Einstellung der Strahl— zentrierung in schrittweiser Näherung derart erfolgt, daß ,;. die zeitliche Abweichung zwischen Soll- und Istimpulsen für Unter-, Scharf- und Überfokussierung des Ladungsträgerstrahles Null wird.

Au s f uhr ung s b ei sp i e 1

Die Erfindung soll nachstellend an einem Ausfuhrungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt ein Schema zur Strahlzentrierung innerhalb einer Elektronenstrahlschweißkanone .

Der Ton der Schweißkanone 1 erzeugte Elektronenstrahl ES trifft auf den im Arbeitsabstand a angeordneten Kupfer Zylinder 2, in den ein Kreuzspalt 3 von 0,3 mm Breite und 10 mm Tiefe eingearbeitet ist· Hex Kupfer - Zylinder 2 ist so positioniert, daß die elektronenoptische Achse 4 der Schweißkanone 1 senkrecht durch den Spaltkreuzungspunkt verläuft und der Kreuzspalt 3 mit der x- sowie y- Achse zusammenfällt. Gleichzeitig werden über Leistungsverstärker LY dem x- y- Ablenksystem 5 der Schweißkanone 1 gegeneinander um 90° phasenverschobene, sinusförmige Ablenkströme IjJ_x und I. zugeführt, so daß der Elektronenstrahl ES in der Ebene des Kupfer - Zylinders 2 auf einer Kreisbahn 6 rotiert. Der Durchmesser der Kreisbahn 6 sowie die Frequenz der sinusförmigen Ablenkströme Ί. und I. sind derart auf die Leistung des Elektronenstrahles ES abgestimmt, daß die Oberfläche des Kupfer - Zylinders 2 auch bei Scharffokussierung nich aufgeschmolzen wird. Über induktivitätsarme..Widerstände H und E. von-iz. 4jI werden den sinusförmigen Ablenkströmen I. und I. proportionale Meßspannungen Uf_x und Uf abgegriffen und dem x- und y- Eingang eines Elektronenstrahlszillografthen BO zugeführt. Bei gleicher Verstärkung wird auf dem Bildschirm 7 ein mit dem Elektronenstrahl ES synchronisierter Kreis

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abgebildet, dessen Mittelpunkt mit dem Fadenkreuzungspunkt des Bildschirmes 7 zusammenfällt. Zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit wird zwischen den Durchmessern der Kreise 8 und 6 ein Vergrößerungsmaßstab von 10 : 1 verwendet. Sine zusätzliche Empfindlichkeitssteigerung ergibt sich bei zunehmendem Abstand a.

?/eiterhin ist unter der Schweißkanone 1 ein ebener Kreisringauffänger 9 für den Elektronenrückstreustrom I„ derart mit Isolatoren 10 befestigt, daß die Ebenen des Kreisringauffängers 9 sowie des Kupfer-Zylinders 2 parallel sind und die elektronenoptische Achse 4 der Schweißkanone 1 senkrecht durch den Mittelpunkt des Kreisringauffängers 9 verläuft. Der am Widerstand Eo abgegriffene, dem Elektronenrückstreustrom Ir, proportionale Spannungsabfall gelangt zu einer elektronischen Schaltanordnung SSA, bestehend aus Verstärker, Komparator und Gleichrichterdiode, in der aus den Impulsen des Büekstreustromes Lg, zeitlich synchron, kurze, negative Bechteckimpulse konstanter Amplitude gewonnen werden, die zum Z-Eingang des Oszillographen SO gelangen und der Helligkeitsmodulation dienen. Dadurch entstehen genau in den Augenblicken, in denen der Elektronenstrahl SS den jeweiligen Kreuzspalt 3 durchläuft, auf dem vom Bildschirm 7 wiedergegebenen Kreis 8 Leuchtpunkte. Bei falscher Zentrierung des Elektronenstrahls SS verschiebt sich der auf dem Kupfer-Zylinder 2 rotierende Kreis 6 bei Änderungen des Fokussierungsstromes L™ für die Fokussie rungslinse 11 in der x-y-Ebene zum Kreis 6*, da die Strahlachse nicht genau mit der elektronenoptischen Achse zusammenfällt. Die Fokussierungslinse 11 wirkt in diesem Fall als Ablenkspule. Der Mittelpunkt des Kreises 6'fällt nicht mehr mit dem Spaltkreuzungspunkt zusammen, so daß der Elektronenstrahl ES den Kreuzspalt 3 in unterschiedlichen Zeitintervallen durchläuft und die Leuchtpunkte auf dem

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Kreis 8 des Bildschirmes 7j "bezogen auf den Kreisumfang, ungleiche Abstände haben.

Die Einstellung der Zentrierung des Elektronenstrahles SS innerhalb der Schweißkanone 1 erfolgt über die den Zentrierungs spulen 12 zugeführtBn Zentrierungsströme I_ und I„ in schrittweiser Näherung derart, daß die Leuchtpunkte auf dem vom Bildschirm 7 wiedergegebenen Kreis 8 für Unter-, Scharf- und Überfokussierung des Elektronenstrahles SS genau im Fadenkreuz des Bildschirmes 7 liegen.

Claims

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rfindungsanspruch

1. Verfahren zur Zentrierung eines Ladungsträgerstrahles innerhalb der Strahlkanone, insbesondere zum Schweißen, Schneiden, Spritzen sowie zur Werkstoffbearbeitung, gekennzeichnet dadurch, daJ3 der Ladungsträgerstrahl in der x- und/oder y-Sbene eines speziellen, vorzugsweise mit einem tiefen, schmalen Kreuzspalt (3) oder Doppelkreuzspalt versehenen T/erkstückes (2) bei in Abhängigkeit Ton der Strahlleistung zur Verhinderung τοη Werkstückoberflächenaufschmelzung hinreichend hoher Geschwindigkeit vorzugsweise auf einer Kreisbahn (6) derart rotiert, daß der Mittelpunkt dieser Kreisbahn (6) mit dem Spaltkreuzungspunkt zusammenfällt, wobei gleichzeitig die ^fokussierung des Ladungsträgerstrahles bezüglich der Werkstückebene im Bereich zwischen der ünter- und Überfokussierung periodisch geändert und die durch Zentrierungsspulen (12) für die x- und y-Bichtung fließenden Gleichströme nach der Methode der schrittweisen Näherung von Hand oder automatisch, insbesondere nach einem Rechnerprogramm derart variiert werden, daß die Minima

. der im vorzugsweise von einem Kreisringauffänger (9) erfaßten Bückstreustrom (Ij₁) bei Durchgang des Ladungsträgerstranles durch den jeweiligen Kreuzspalt (3) entstehenden Impulse bei unter-, Scharf- und Überfokussierung, bezogen auf den Kreisumfang, jeweils an den gleichen Stellen auftreten und damit der Impulsabstand konstant k ist.
2. Terfahren zur Zentrierung eines LadungsträgerStrahles innerhalb der Strahlenkanone nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß insbesondere, wenn die Breite des Kreuz- oder Doppelkreuzspaltes (3) in der gleichen

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Größenordnung wie der Strahldurchmesser im Fokus liegt, die Amplitude der Rückstreustromiiapulse als Meßkriteriusa genutzt und die Zentrierungseinstellung des Ladungsträgerstrahles in schrittweiser Näherung derart vorgenommen wird, daß die Impulsamplituden konstant sind.

Verfahren zur Zentrierung eines LadungsträgerStrahles innerhalb der Strahienkanone nach Punkt 1,gekennzeichnet dadurch, daJ3 die den sinusförmigen Ab lenkströmen der Schweißkanone (1) proportionalen Spannungen zwischen denen eine Phasenverschiebung von 90° besteht, entsprechend dem x- undy- Eingang eines Oszillographen oder Monitors zugeführt werden, wobei auf dem Bildschirm (7) ein mit dem technologischen Ladungsträgerstrahl synchronisierter Kreis (8) abgebildet wird, dessen Mittelpunkt mit dem Fadenkreuzungspunkt zusammenfällt, wobei zur Erhöhung der Einstellempfindlichkeit ζweokmäßigerweise zwischen den Kreisdurchmessern auf der Werkstückoberfläche und dem Bildschirm (7) ein Yergrößerungsmaßstab verwendet wird und gleichzeitig die dem Bückstreustrom proportionale . Me ßspannung einer elektronischen Schaltanordnung, bestehend aus Verstärker, Komparator oder Trigger«und Gleichrichterdiode zugeführt wird, in der aus den Eückstreustromimpulsen zeitlich synchron !kurze negative Hechteckimpulse konstanter Amplitude gewonnen werden,- die zum z-Singang des Oszillographen oder Monitors gelangen und der Helligkeitsmodulation dienen, so daß genau in den Augenblicken, in denen der technologische Ladungsträgerstrahl den jeweiligen Spalt durchläuft, auf dem Bildschirm (7) wiedergegebenen Kreis (8) Leuchtpunkte entstehen, wobei die Einstellung der Strahlzentrierung in schrittweiser Näherung derart erfolgt, daß die Leuchtpunkte auf dem Bildschirmkreis für Unter-, Scharf- und Überfokussierung des technologischen Ladungsträgerstrahl genau im Fadenkreuz liegen.

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Verfahren zur Zentrierung eines LadungsträgerStrahles innerhalb der Strahlenkanone nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Zeit zwischen den einzelnen, den Spaltdurchlauf charakterisierenden Kickstreustromimpulsen gemessen wird, indem die dem Biickstreustrom (Ip) proportionale Meßspannung direkt oder über eine elektronische Schaltanordnung zur Festlegung definierter MeßTaedingungen, "bestehend aus Verstärker, Komparator oder Srigger, Differenzierglied und Gleichrichterdiode, einem Analog- oder Digitalmeßgerät, vorzugsweise einem Universalzähler, zur Periodendauermessung zugeführt wird und die Zentrierungseinstellung des Ladungsträgerstrahles in schrittweiser Näherung derart erfolgt, daß die Periodeadauer für Unter-, Scharf- und Überfokussierung konstant ist,

Verfahren zur Zentrierung eines Ladungsträgerstrahles innerhalb der Strahlenkanone nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daJ3 auf -Analog- oder Digitalbasis ein zeitlicher Vergleich zwischen aus den .Ablenkströmen für die Schweißkanone (1) im Augenblick der Nulldurchgänge gewonnenen Sollimpulsen und den den Spaltdurchlauf charakterisierenden, im Rückstreustrom (IjO enthaltenen Istimpulsen erfolgt, wobei die Einstellung der Strahlzentrierung in schrittweiser Näherung derart vorgenommen wird, daß die zeitliche Abweichung zwischen Soll- und Istimpulsen für Unter-, Scharf- und überfokussierung des Ladungsträgerstrahles Null wird.

- Hierzu ein Blatt Zeichnungen-