DD143146A2

DD143146A2 - Verfahren und einrichtungen zur prozessstabilisierung beim bearbeiten mit ladungstraegerstrahlen

Info

Publication number: DD143146A2
Application number: DD21290879A
Authority: DD
Inventors: Karl-Otto Mauer
Original assignee: Mauer Karl Otto
Priority date: 1979-05-16
Filing date: 1979-05-16
Publication date: 1980-08-06

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Kontrolle und prozeSabhängige Regelung der V/irkung energiereicher Ladungsträgerstrahlen auf Werkstoff nach Patent 139 102. Unter den jeweiligen Bedingungen des technologischen Prozesses sollen während des gesamten Prozeßverlaufes meßbare Informationen über die Wechselwirkung zwischen dem energiereichen Ladungsträgerstrahl und der am Prozeß beteiligten Materie gewonnen und zur Kontrolle und prozeßabhängigen Regelung herangezogen werden. Erfindungsgemäß wird der lonenrückstreu- und/oder lonendurchdringungsstrom beim Elektronenstrahlverfahren und der Elektronenrückstreu- und/oder Elektronendurchdringungsstrom beim Ionenstrahlverfahren gemessen und deren Gleichstromkomponente und/oder Amplitude, Frequenz oder Mittelwert der Wechselstromkomponente einzeln oder miteinander verknüpft zur Kontrolle und/oder Prozeßregelung verwendet. Das Verfahren und die dazugehörenden Einrichtungen dienen in Erweiterung der Hauptpatentanmeldung insbesondere der Verbesserung der Kontroll- und Regelgenauigkeit auch bei Prozessen mit. hohen Strahlleistungen». - Figur -

Description

21290

Verfahren und Einrichtungen zur Prozeßstabilisierung beim Bearbeiten mit Ladungsträgerstrahlen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtungen zur Ermittlung, Einstellung, Kontrolle und prozeßabhängigen Regelung der Wirkung energiereicher Ladungsträgerstrahlen auf Werkstoff nach Pa^^t idJ-fCZ, insbesondere zum Schweißen, Schneiden, Schmelzen, Spritzen, Zerstäuben, Verdampfen sowie zur Werkstoffbearbeitung«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Nach Pak^-t 139Yc??, ist bereits bekannt, daß zur Gewinnung von Prozeßinfoxinationen für Kontroll- und Regelgrößen nur bestimmte Ladungstiräger und/oder Energiespektren und/oder FrequenzSpektren des Mckstreu-, Werkstuck oder Durchdringungsstromes ausgewählt werden«. Beim

Elektronenstrahlschweißen unter Verwendung des Elektronenstromes als Prozeßmeßgröße hat sich diese Verfahrensweise bis Strahlleistungen von ca* 10 kV/ "bewährte Bei einer weiteren Erhöhung der Strahlleistungmrde festgestellt, daß die geforderte Genauigkeit abnimmt»

Ziel der Erfindung ·

Durch die Erfindung sind ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, die es unter den Jeweiligen Bedingungen des technologischen Prozesses gestatten, während des Prozeßverlaufes die V/irkung von energiereichen Ladungsträger strahlen auf den Werkstoff auch bei höherer Strahlleistung zu ermittelnj einzustellen, zu kontrollieren und prozeßabhängig zu regeln»

Bas Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Einrichtungen zu entwickeln, die es unter den jeweiligen Bedingungen des technologischen Prozesses er~ möglichen, während des Prozeßverlaufes meßbare Informationen über die Wechselwirkung zwischen dem energiereichen Ladungsträgerstrahl und der am Prozeß beteiligten

Materie zu erzielen* Die Meßsignale sollen dabei Rückschlüsse über die Wirkung des Ladungsträgerstrahls auf den f/erkstoff zulassen und so eine Ermittlung, Einstellung, Kontrol3.e und prozeßabhängige Regelung dieser Wirkung gestalten« Die proseßabhängige Regelung soll innerhalb vorgegebener Grenzen auch bei zeitabhängigen Veränderungen der Geometrie des elektronenoptischen Systems der Strahlenkaiione eine Stabilisierung der

21290

Wirkung des Ladungsträgerstrahles auf den Werkstoff gewährleisten· Die Ausübung des Verfahrens soll außerdem im gesaraten Strahlleistungsbereich sowie für alle technologischen Verfahren mit energiereichen Ladungsträgerstrahlen gewährleistet sein·

Erfindungsgemäi3 wird die Aufgabe gelöst, indem bei Elektro nenstrahlverfahren der Ionenrückstreu- und/oder Ionendurchdringungsstrom und bei Ionenstrahlverfahren Vorzugsv/eise der Elektronenrückstreu- und/oder Elektronendur chdringungsstrom gemessen sowie deren Gleichstromkomponente und/oder Amplitude und/oder Frequenz und/ oder Impulslänge der Wechselstromkomponente und/oder deren Mittelwert, die erfindungsgemäß in Abhängigkeit von den einzelnen Prozeßparametern jeweils eine typische Charakteristik aufweisen, die die Wechselwirkung zwischen dem energiereichen Ladungsträgerstrahl, der am Prozeß beteiligten Materie sowie den jeweiligen, momentan vorhandenen Prozeßbedingungen exakt widerspiegelnj zur Prozeßregelung der Wirkung des Ladungsträgerstrahles auf den Yierkstoff verwendet werden,

JiLe Einrichtungen zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch die Gewinnung des Rückstreuung, Durchdringungsstromes bestimmt. Dabei ist es erforderlich, daß die gewonnenen Prozeßmeßsignale auch bei .änderungen der Winkel verteilung des Mckstreu- und Durchdringungsstromes die Wechselwirkung z?/ischen dem energiereichen Ladungsträger strahl, der am Prozeß beteiligten Materie sowie den jeweiligen, momentan vorhandenen Prozeßbedingungen exakt widerspiegeln und die jeweils eigene Zeitkonstante der Meßsignalerfassungssysterne vernachlässigbar gering ist» Dazu ist es zweckmäßig, für- den Eückstreustrom einen ebenen, hinreichend großflächigen Kreisringauffänger.mit geringem Bohrungsdurchmesser zu verwenden, der räumlich

zwischen Strahlenkanone und Y/erkstück so angeordnet ist, daß die elektronenoptische Achse der Strahlenkanone senkrecht zur Auffängerebene durch dessen Mittelpunkt verläuft· Für den Durchdringungsstrom ist es zweckmäßig, einen ebenen, hinreichend großflächigen Auffanger zu verwenden j der räumlich im Strahlengang nach dem Werkstück so angeordnet ist, daß die elektronenoptische Achse der Strah-lenkanone senkrecht zur Auffängerebene durch dessen Mittelpunkt verläuft»

Bei Elektronen strahlverfahren erhalten die Auffänger gegen Masse ein bestimmtes negatives Potential, so daß in Abhängigkeit von der Potentialhöhe Elektronen vom Auffänger weitgehend abgestoßen, Ionen jedoch angesogen werden. Bei Ionenstrahlverfahren erhalten die Auffänger gegen Masse ein bestimmtes positives Potential, so daß in Abhängigkeit von der Potentialhöhe Ionen vom Auffänger weitgehend abgestoßen, Elektronen jedoch angezogen werden«

Dazu ist es zweckmäßig, die Auffänger jeweils über eine niederohmige Gleichspannungsquelle und einen möglichst niederohsixgen, induktivität sannen Widerstand bei entsprechender Polung und vernachlässigbar geringer Störspannung dex Spannungsquelle mit Masse zu verbinden und die geringe, am Widerstand abfallende Prozeßmeßspannung einem hinreichend hochohmigen Breitbandverstärker, vorzugsweise einem als integrierten Schaltkreis ausgeführten Operationsverstärker, zuzuführen und besonders auf kapazitätsarme Bau- und Schaltweise zu achten,

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbei— spiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeich-

21290 8

nung wird eine schematische Darstellung der Auffänger und ihrer räumlichen Anordnung beim Elektronenstrahlschweißen sowie das Prinzip zur Gev/innung und. Verarbeitung der Prozeßmeßsignale gezeigt·

Der von der Strahlenkanone 1 erzeugte Elektronenstrahl der Strahlstromstärke Is trifft auf die Oberfläche des im Arbeitsabstand a angeordneten Werkstückes 2 der Dicke s, das sich mit der Schweißgeschwindigkeit vs relativ zum Elektronenstrahl bewegt« Durch entsprechende Abstimmung der einzelnen Prozeßparameter wird dabei eine Schweißnaht erzeugt« über dem Werkstück 2 ist im Abstand IR ein ebener Kreisringauf fänger 3 für den fiückstreustrom IH derart angeordnet, daß die elektronenoptische Achse der Strahlenkanone 1 senkrecht zur Auffängerebene durch dessen Mittelpunkt verläuft. Der Außendurchmesser des Auffängers 3 beträgt 200 rom und der Bohrungsdurchmesser etwa das zweifache des Strahldurchmessers· Der mit Isola·? toren /j. befestigte Auffänger 3 ist über eine niederohmige Spannungscuelle SQt₃ und einen Widerstand H~ von etwa 10 bis 100Jt. mit Masse verbunden. Die mit dem Potentiometer P^ einstellbare negative Potentialhöhe für den Auffanger 3 ist von den Prozeßbedingungen abhängig und beträgt im Mittel 300 Y· Am Widerstand E„ wird ein Spannungsabfall gemessen, der dem Ionenrückstreustrom IJ^ direkt proportional ist· Unter dem Yterkstück 2 ist im Abstand 1-n ein ebener quadratischer Auffang er 5 für den Durchdringungsstrom L₀ auf Isolatoren 4 derart angeordnet, daß die elektronenoptische Achse der Strahlenkanone 1 senkrecht zur Auffängerebene durch dessen Mittelpunkt verläuft« Die Kantenlänge des Auffängers 5 beträgt beispielsweise 60 mm« Der Auffänger 5 ist über eine niederohmige Spannungs— quelle SQ^ und einen Widerstand EW von etwa 10 bis 100

- 6 - 212 9 0 8

mit Masse verbunden· Die mit dem Potentiometer P^ einstellbare negative Potentialhöhe für den Auffanger 5 ist von den Prozeßbedingungen abhängig und meist geringer als für den Auffänger 3· im Widerstand R^ wird ein Spannungsabfall gemessen, der dem Ionendurchdringungsstrom iJpJ direkt proportional ist*

ro Die dem lonenrückstreu- oder lonendurchdringungsstrom Ip---; 2η"¹* proportionale Meßspannung wird von einem Operationsverstärker OY mit 10 kSL Eingan gsv/i der st and und einer Bandbreite von*0 bis 0_s5 MHz verstärkt und direkt oder über ein Tiefpaßfilter TPFj Bandpaßfilter 3PF oder H₀Chpaßfilter HPF einem iünplituden-Spannungswandler ASV/, Frequenz-Spannungswandler FSW, 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 sur Kontrolle angezeigt und/oder als Regelgröße X in einem analog oder digital arbeitenden elektronischen Kegler, vorzugsweise einem Prozeßrechner P_p5 in einem ein~ oder mehr schleifigen Hegelkreis durch Vergleich mit der Führungsgröße W und Bereitstellung der Stellgröße Y, die entsprechend auf den EIe kt ro ne ns tr ah Ischweißprozeß ein·» greift, verarbeitet«, Die für "die Prozeßkontrolle und Prozeßregelung erforderlichen Charakteristiken werden zuvor in Versuchen ermittelte

Claims

212908 Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur Ermittlung, Einstellung, Kontrolle und prozeßabhängigen Hegelung der Wirkung energiereicher Ladungsträger strahlen auf Werkstoff, insbesondere zum Sehweißen, Schneiden, Schmelzen, Spritzen, Zerstäuben, Verdampfen sowie zur Werkstoffbearbeitung nach Patent Ί3>$4ΟΖ _f verzugsweise zur Prozeß stabilisierung bei höherer Strahlleistung, gekennzeichnet dadurch , daß bei Elektronenstrahlverfahren der Ionenrückstreu- und/oder Ionendurch« dringungsstrom und bei Ionenstrahlverfahren vorzugsweise der Elektronenrückstreu- und/oder Elektronen— durchdringungsstrom gemessen wird, wobei deren Gleichstromkomponente und/oder Amplitude und/oder Frequenz und/oder Impulslänge der Weohselstromkomponente und/ oder deren Mittelwert zur Prozeßregelung verwendet werdenc

2. Einrichtung zur Ermittlung, Einstellung, Kontrolle und prozeßabhängigen Regelung der Wirkung energiereicher Ladungstragerstrahlen auf Werkstoff nach Punkt 1, ge kennzeichnet dadurch , daß für den Bückstreustrom (I_R) ein ebener, hinreichend großflächiger Kreisringauffang er (3) mit geringem Bohrungsdurchmesser räumlich zwischen Strahlenkanone (1) und Werkstück (2) so angeordnet ist, daß die elektronenoptische Achse der Strahlenkanone (1) senkrecht zur Auffangerebene durch den Auffängermittelpunkt verläuft.

3« Einrichtung zur Ermittlung, Einstellung, Kontrolle und prozeßabhängigen Regelung der Wirkung energiereicher Ladungsträgerstrahlen auf Y/erkstoff nach Punkt 1, ge kennzeichnet dadurch , daß für den Durchdringungsstrom ein ebener, hinreichend großflächiger Auffänger (5) räumlich im Strahlengang nach dem Werkstück (2) angeordnet ist, derart, daß die elektronenoptische Achse senkrecht zur Auffanger— ebene durch den Auffängerniittelpunkt verläuft·

4» Einrichtung zur Ermittlung, Einstellung, Kontrolle und prozeßabhängigen Regelung der Wirkung energiereicher Ladungsträgerstrahlen auf "Werkstück nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch , daß die Auffänger (3; 5) jeweils über eine niederohmige Gleichspannungsquelle (SQ_R) und einen niederοhmigen, induktivitätsarmen Widerstand (R~) bei entsprechender Polung und bei vernachlässigbar geringer Störspannung der Sparuaimgsquelle mit Masse verbunden sind, wobei die geringe am Widerstand (R_R) abfallende Prozeßmeßspannung jeweils mit einem hochohmigen Breitbandverstärker, vorzugsweise einen als integrierten Schaltkreis ausgeführten Operationsverstärker (OY), gekoppelt isto

Hierzu 1 Seite Zeichnungen