DD206960B1 - Verfahren zur zentrierung eines ladungstraegerstrahles - Google Patents

Description

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Zentrierung eines Ladungstragerstrahles innerhalb der Strahlkanone zu schaffen, welches auch ohne spezielle Kenntnisse und Erfahrungen des Operators einen hohen Grad der Reproduzierbarkeit gewährleistet und die Erzeugnisqualität und Arbeitsproduktivität verbessert

Das Wesen der Erfindung

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

Erfindungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelost, daß aus dem linienformigen Ladungsträgerstrahl mit Hilfe des Ablenksystems der Strahlenkanone elektronisch mit hoher Geschwindigkeit eine quasistationare, räumliche Strahlfigur im Koordinatensystem X-Y-Z erzeugt wird, wobei die Z-Achse des Koordinatensystems mit der elektronenoptischen Achse der Strahlenkanone zusammenfallt Die raumliche Strahlfigur kann prinzipiell beliebiger Gestalt sein und wird am besten als Ablenkfigur in der X-Y-Ebene beschrieben Zu diesen Ablenkfiguren gehören auch der Kreis, die Ellipse, Acht, Doppelparabel, das Dreieck, der Buchstabe S Die räumliche Strahlfigur ermöglicht das räumliche Erfassen der Strahlzentrierung und bewirkt gleichzeitig den Abbau der hohen Leistungsdichte durch schnelle Verteilung der Strahlleistung Senkrecht zur elektronenoptischen Achse wird die mit Markierungen versehene Ebene eines massiven Korpers, die mit der X-Y-Ebene zusammenfallt, als Hilfsmittel derart angeordnet, daß der sich durch die elektrische Ablenkung bewegende Ladungsträgerstrahl diese Markierungen trifft Die Markierungen können prinzipiell in der X-Y-Ebene beliebig verteilt sein und beliebige Gestalt haben

Zu derartigen Markierungen gehören auch der Kreuz- oder Doppelkreuzspalt, schmale, geradlinig oder gekrümmt verlaufende, durchgehende oder unterbrochene Erhebungen, einzelne Spitzen, Kegel, Kegelstumpfe, Buckel Die Verteilung der Markierungen in der X-Y-Ebene geschieht in Abstimmung auf die räumliche Strahlfigur und dient zum räumlichen Erfassen der Strahlzentrierung Der massive Korper hat Bedeutung fur die Abfuhr der Wärmeenergie, insbesondere bei hohen Strahlleistungen

Die im Elektronenruckstreustrom als Meßsignal enthaltenen Markierungsimpulse, die entstehen, wenn der Ladungsträgerstrahl die Markierungen trifft, werden zur Bewertung der Strahlzentrierung direkt oder über eine elektronische Schaltanordnung zur Festlegung definierter Meßbedingungen als Leuchtpunkte auf dem Bildschirm eines mit der Strahlablenkung synchronisierten Oszillographen dargestellt oder bei Messung ihres zeitlichen Abstandes einem entsprechenden Analog- oder Digitalmeßgerat zugeführt

Die Auswahl derZentnerungsstromstarken und -richtungen (Stellgroßen) in den 2entnerungsspulen fur die X- und Y-Richtung erfolgt abwechselnd in schrittweiser Näherung von Hand oder automatisch derart, daß die Markierungsimpulse bei Unter-, Scharf- und Uberfokussierung ihren Abstand zueinander nicht mehr verandern Damentsprechend behalten bei periodischer Änderung der Strahlfokussierung die Leuchtpunkte auf der Bildschirmfigur ihre Lage unverändert bei und auch der zeitliche Abstand zwischen den jeweiligen Markierungsimpulsen bleibt gleich

Es ist auch möglich, die Amplitude der Markierungsimpulse als Meßkriterium zu nutzen und die Zentrierungseinstellung des Ladungstragerstrahles in schrittweiser Näherung derart vorzunehmen, daß sich die Impulsamplituden bei Änderung der Strahlfokussierung nicht mehr verandern

Ausfuhrungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuhrungsbeispiel naher erläutert werden Die zugehörige Zeichnung zeigt ein Schema zur Strahlzentrierung innerhalb einer Elektronenstrahlschweißkanone Der von der Schweißkanone 1 erzeugte Elektronenstrahl ES trifft auf den im Arbeitsabstand a angeordneten Kupfer-Zylinder 2, in den als Markierungen ein Kreuzspalt 3 von 0,3mm Breite und 10 mm Tiefe eingearbeitet ist Der Kupfer-Zylinder 2 ist so positioniert, daß die elektronenoptische Achse 4 der Schweißkanone 1 senkrecht durch den Spaltkreuzungspunkt verlauft und der Kreuzspalt 3 mit der X- sowie Y-Achse zusammenfallt

Gleichzeitig wird aus dem linienformigen Elektronenstrahl ES elektronisch eine quasistationare, räumliche Strahlfigur in Form eines Kegelmantels erzeugt, indem dem X-Y-Ablenksystem 5 der Schweißkanone 1 über Leistungsverstärker LV gegeneinander um 90° phasenverschobene, sinusförmige Ablenkstrome Ia_x und Ід_у zugeführt werden In der X-Y-Ebene, die mit der Ebene des Kupfer-Zylinders 2 zusammenfallt, rotiert der Elektronenstrahl ES dabei auf einer Kreisbahn 6 Der Durchmesser der Kreisbahn 6 sowie die Frequenz der sinusförmigen Ablenkstrome l_Ax und U_y sind derart auf die Leistung des Elektronenstrahles ES abgestimmt, daß die Oberflache des Kupfer-Zylinders 2 auch bei Scharffokussierung nicht aufgeschmolzen wird Über induktivitatsarme Widerstände R_x und R_Y von < 1 Ω werden den sinusförmigen Ablenkstromen Ia_x und l_Ay proportionale Meßspannungen UA_x und U_Ay abgegriffen und dem X- und Y-Eingang eines Elektronenstrahloszillographen EO zugeführt Bei gleicher Verstärkung wird auf dem Bildschirm 7 ein mit dem Elektronenstrahl ES synchronisierter Kreis 8 abgebildet, dessen Mittelpunkt mit dem Fadenkreuzungspunkt des Bilschirmes7 zusammenfallt Zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit wird zwischen den Durchmessern der Kreise 8 und 6 ein Vergroßerungsmaßstab von 10 1 verwendet Eine zusätzliche Empfindlichkeitssteigerung ergibt sich bei zunehmendem Abstand а

Weiterhin ist unter der Schweißkanone 1 ein ebener Kreisringauffanger 9 fur den Elektronenruckstreustrom I_R derart mit Isolatoren 10 befestigt, daß die Ebenen des Kreisringauffangers 9 sowie des Kupfer-Zylinders 2 parallel sind und die elektronenoptische Achse 4 der Schweißkanone 1 senkrecht durch den Mittelpunkt des Kreisringauffangers 9 verlauft Der am Widerstand R abgegriffene, dem Elektronenruckstreustrom I_R proportionale Spannungsabfall gelangt zu einer elektronischen Schaltanordnung ESA, bestehend aus Verstarker, Komparator und Gleichnchterdiode, in der aus den Impulsen des Ruckstreustromes I_R, zeitlich synchron, kurze, negative Rechteckimpulse konstanter Amplitude gewonnen werden, die zum

Z-Eingang des Ostzillographen EO gelangen und der Heiligkeitsmodulation dienen. Dadurch entstehen genau in den Augenblicken, in denen der Elektronenstrahl ES den jeweiligen Kreuzspalt 3 durchläuft, auf dem vom Bildschirm 7 wiedergegebenen Kreis 8 Leuchtpunkte. Bei falscher Zentrierung des Elektronenstrahl les ES verschiebt sich derauf dem Kupfer-Zylinder 2 rotierende Kreis 6 bei Änderungen des Fokussierungsstromes Ip, für die Fokussierungslinse 11 in der X-Y-Ebene zum Kreis 6', da die Strahlachse nicht genau mit der elektronenoptischen Achse 4 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 Kreis 8 des Bildschirmes 7, bezogen auf den Kreisumfang, ungleiche Abstände haben.

Die Einstellung der Zentrierung des Elektronenstrahles ES innerhalb der Schweißkanone 1 erfolgt über die den Zentrierungsspulen 12 zugeführten Zentrierungsstrome l_Zx und l_Zy in schrittweiser Näherung derart, daß die Leuchtpunkte auf dem vom Bildschirm 7 wiedergegebenen Kreis 8 für Unter-, Scharf- und Überfokussierung des Elektronenstrahls ES genau im Fadenkreuz des Bildschirmes 7 liegen.

Der zeitliche Abstand zwischen den jeweiligen Markierungsimpulsen bleibt somit bei periodischer Änderung der Strahlfokussierung unverändert.

In Betracht gezogene Druckschriften: DD-PS 110198 (B 23 K, 15/00) DE-PS 2220335 (B 23K, 15/00) DE-OS 1 943206 (49 h, 15/00)

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch

   Verfahren zur Zentrierung eines Ladungstragerstrahles innerhalb der Strahlenkanone, auch fur hohe Strahlleistungen, unter Verwendung des Elektronenruckstreustromes als Meßsignal und bei periodischer Änderung der Strahlfokussierung, insbesondere zum Schweißen, Schneiden, Spritzen und Werkstoffbearbeitung, gekennzeichnet dadurch, daß aus dem linienformigen Ladungsträgerstrahl elektronisch mit hoher Geschwindigkeit eine quasistationare, räumliche Strahlfigur beliebiger X-Y-Ebene senkrecht zur elektronenoptischen Achse die mit Markierungen beliebiger Gestalt und Verteilung versehene Ebene eines massiven Korpers derart angeordnet wird, daß der Ladungsträgerstrahl diese Markierungen trifft, wobei gleichzeitig die durch die Zentrierungsspulen (12) fur die X- und Y-Richtung fließenden Gleichströme in schrittweiser Näherung von Hand oder automatisch derart varnertwerden, daß die im Meßsignal entstehenden Markierungsimpulse bei Unter-, Scharfund Uberfokussierung ihren Abstand zueinander sowie ihre Amplitude nicht mehr verandern.

   Hierzu 1 Seite Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zentrierung eines Ladungstragerstrahles innerhalb der Strahlenkanone, auch fur hohe Strahlleistungen, unter Verwendung des Elektronenruckstreustromes als Meßsignal und bei periodischer Änderung der Strahlfokussierung, insbesondere zum Schweißen, Schneiden, Spritzen und Werkstoffbearbeitung

   Charakteristik der bekannten technischen Losungen

   Es ist bereits bekannt, die Zentrierung eines Ladungstragerstrahles innerhalb der Strahlenkanone nach subjektiven Kriterien durch den Anlagenbediener einzustellen Jede Ladungstragerstrahlkanone besitzt eine elektronenoptische Achse (gedachte Linie), um die alle zur Elektronenoptik gehörenden Bauteile konzentrisch verlaufen müssen (Katode, Wehneltzylinder mit Bohrung, Zentrierungssystem, Fokussierungsspule und Ablenkspulen) Ist das nicht der Fall, so fuhrt das unmittelbar zu „Abbildungsfehlern" und demtentsprechend zur Verzerrung der Leistungsdichteverteilung in der Umgebung des Strahlfokusses Waren die Abweichungen der zur Elektronenoptik gehörenden Bauteile bezüglich der elektronenoptischen Achse fur eine vorhandene Strahlenkanone unter der Voraussetzung hinreichend kleiner Toleranzen stets unverändert, so wurde man mit gleichen technologischen Parametern auch etwa gleiche technologische Prozeßergebnisse erreichen Jeder Katodenwechsel fuhrt aber dazu, daß die Katode und, in Abhängigkeit von der Konstruktion, auch der Wehneltzylinder nicht mehr, wie genau vorher, konzentrisch um die elektronenoptische Achse verlaufen, so daß bei gleichen Prozeßparametern mit erheblichen Abweichungen im Prozeßergebnis zu rechnen ist Die Prozeßparameter können nicht einfach durch den Operator dem jeweiligen Zentnerungszustand der Kanone angepaßt werden Zum Ausgleich dTeser Einstelltoleranzen nach jedem Katoden wechsel werden Ladungstragerstrahlkanonen meist mit Zentrierungsspulen ausgerüstet Dabei handelt es sich um vier Elektromagneten, die unmittelbar um die Anodenbohrung oder auch gleich unterhalb dieser angeordnet sind und eine Verschiebung des Ladungstragerstrahles innerhalb der Strahlenkanone in Abhängigkeit von der Stromstarke und Stromrichtung durch die Elektromagneten in der X-Y-Ebene (senkrecht zur Strahlachse) gestatten Die Auswahl der Stromstarken und Stromrichtungen durch die Zentnerungsspulen erfolgt grundsätzlich nur einmal nach jedem Katoden wechsel oder Eingriff in die Ladungstragerstrahlkanone und soll reproduzierbare technologische Prozeßergebnisse ermöglichen Bei der subjektiven Verfahrensweise werden der Ladungsträgerstrahl bezuglich der Werkstuckebene periodisch unter- und uberfokussiert und gleichzeitig die durch die Zentrierungsspulen X- und Y-Richtung fließenden Gleichströme so lange variiert, bis der linienförmige Ladungsträgerstrahl bei Ausfuhrung dieser Operation in der X-Y-Ebene des Werkstuckes eine unveränderte Position einnimmt

   Nachteilig bei dieser Verfahrensweise ist die ungenügende Reproduzierbarkeit und Verschiebungen des linienformigen Ladungstragerstrahles lassen sich praktisch nur in der Ebene quer zur Blickrichtung des Operators wahrnehmen Da Meßmittel nicht vorgesehen sind, werden hohe Anforderungen an die fachliche Qualifikation und praktische Erfahrung des Anlagenbedieners gestellt Mit zunehmender Strahlleistung sinkt die Genauigkeit bei dieser Verfahrensweise, da vom Strahlauftreff ort gleichzeitig eine intensive Lichtemission ausgeht, die den Operator in der Beobachtung behindert Ein bei geringer Strahlleistung zentrierter Ladungsträgerstrahl ist aber in der Regel bei höheren Strahlleistungen nicht mehr exakt zentriert Das wirkt sich auf alle Verfahren zur Strahl-Stoß-Positionierung negativ aus, die bei kleinen Strahlleistungen positionieren und den technologischen Prozeß bei höheren Strahlleistungen ausfuhren. Es ist auch bekannt, die durch die Einwirkung des Ladungstragerstrahles vom Prozeßort ausgehende Sekundaremission (Ruckstreu-, Werkstuck- und lonenstrom) zu messen und die Änderung einzelner Komponenten dieser Meßsignale (Frequenz, Amplitude und Impulslange des Wechselstromes sowie Gleichstrom) in Abhängigkeit von der Leistungsdichte und ihrer Verteilung in der Umgebung des Arbeitsfleckes, die wesentlich durch die Strahlzentrierung beeinflußt werden, als Einsteilkriterium zu nutzen Alle diese Verfahren basieren auf der Erreichung der fur gegebene Prozeßbedingungen maximal möglichen Leistungsdichte im Arbeitsfleck, bei der die einzelnen Meßsignalkomponenten einen charakteristischen Wendepunkt aufweisen (Frequenzmaximum, Amplituden-, Impulslangen- und Gleichstromminimum) Die Verfahrensausubung geschieht von Hand oder automatisch nach der Methode der schrittweisen Näherung Besonders bei Messung und Auswertung des lonenstromes 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 Meßwertanderung bei maximaler Leistungsdichte im Arbeitsfleck am größten sind