DE10122598A1

DE10122598A1 - Verfahren für die Ionisierung eines Arbeitsgases zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes

Info

Publication number: DE10122598A1
Application number: DE10122598A
Authority: DE
Inventors: Guenter Ruebig
Original assignee: RUEBIG & CO KG WELS GmbH
Current assignee: RUEBIG & CO KG WELS GmbH
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: DE10122598B4

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren für die Ionisierung eines Arbeitsgases (4) zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes (1), bei dem eine pulsierende Grundspannung zwischen zumindest einer Anode und zumindest einer Kathode zum Aufbau eines pulsierenden, elektrischen Feldes angelegt wird, wobei das Werkstück (1) als Anode oder als Kathode verwendet wird. Die plulsierende Grundspannung wird zumindest zeitweise mit einer hochfrequenten Spannung zur Erzeugung eines hochfrequenten Wechselfeldes überlagert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Ionisierung eines Arbeitsgases zur Oberflächen behandlung eines Werkstückes, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 beschrieben ist.

Es ist bekannt, Oberflächenbehandlungen von Werkstücken durch Glimmentladungen bzw. Plasmatechnik vorzunehmen. Auf diese Weise können beispielsweise metallische Werkstücke mit nahezu beliebiger räumlicher Gestaltung ihrer Oberfläche einer Oberflächenumwandlung durch Nitrieren und dgl. unterzogen werden. Weiters ist auch Beschichten, Härten, Glühen und dgl. mit Plasmatechnik durchführbar.

Dabei wird bei der Verwendung von Gleichspannung üblicherweise das Werkstück als Ka thode und die das Werkstück umgebende Wandung des Rezipienten als Anode an eine Span nungsquelle geschaltet, oder es kommt Wechselspannung zum Einsatz.

Aus der DE 33 22 341 C2 ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken durch Glimmentladung bekannt, bei welchem zwischen dem im Rezipienten enthaltenen Werkstück und einer Gegenelektrode Spannungsimpulse zum Zünden und vorübergehenden Aufrechterhalten einer Glimmentladung angelegt werden. Diese Spannungsimpulse weisen im Anfangsbereich eine Impulsspitze zum Zünden der Glimmentladung und anschließend einen Bereich mit einer zur Aufrechterhaltung der Glimmentladung geeigneten Amplitude auf.

Nachteilig ist hierbei, daß nur eine Impulsspitze zum Zünden der Glimmentladung vorgese hen ist und daß in der Pause nach dem Impuls die Ionisierung des Arbeitsgases im Rezipien ten stark zurückgeht. Weiters ist es auch nicht möglich, Impulse mit entgegengesetzter Pola rität am sich im Rezipienten befindlichen Werkstück anzulegen.

Aus der EP 0 534 068 B1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Versorgung einer Anlage der Plasma- oder Oberflächentechnik bekannt, bei dem ein Stromversorgungsgerät zur bipolaren Stromversorgung der Anlage durch ein regelbares Gleichstromnetzteil vorgesehen ist. Durch die bipolare Stromversorgung ist es hierbei möglich, Impulse mit entgegengesetzter Polarität zu erzeugen, jedoch geht in den Pausen zwischen den Impulsen die Ionisierung des sich im Rezipienten befindlichen Arbeitsgases ebenfalls stark zurück.

Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die Leitfähigkeit des Gases über die gesamte Periodendauer der Spannung aufrecht bleibt.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhaft ist hierbei, daß durch die Überlagerung der pulsierenden Grundspannung mit einer hochfrequen ten Spannung die Abnahme der Ionisierung eines Arbeitsgases im Rezipienten wirkungsvoll verringert werden kann.

Vorteilhaft ist auch eine Weiterbildung nach den Ansprüchen 2 und 3, da dadurch eine ver besserte Plasmabildung im Inneren des Rezipienten erreicht werden kann, was sich positiv auf die Gleichmäßigkeit der Qualität der Oberflächenbehandlung eines Werkstückes auswirkt.

Vorteilhaft ist auch eine Weiterbildung nach Anspruch 4, da durch die Bildung eines span nungslosen Zwischenraumes zwischen den unmittelbar aufeinanderfolgenden Impulsen der Grundspannung die Energiezuführung in den Rezipienten 2 kurzzeitig gestoppt wird und da durch kurze Phasen der Abkühlung des Werkstückes ermöglicht werden, wodurch erreicht wird, daß das Werkstück auf einer annähernd konstanten Temperatur gehalten werden kann.

Durch eine vorteilhafte Weiterbildung gemäß den Ansprüchen 5 und 6 wird es durch geringen Aufwand möglich, die pulsierende Grundspannung aus einem Gleichspannungszwischenkreis zu gewinnen.

Durch eine Weiterbildung nach Anspruch 7 wird die Gesamtenergiezufuhr in den Rezipienten durch die Einkopplung der hochfrequenten Spannung leichter regelbar.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 8 wird erreicht, daß durch die Ein kopplung der hochfrequenten Spannung auf die pulsierende Grundspannung keine unzulässig hohen Energiespitzen erzeugt werden, die zum Zünden eines Lichtbogens zwischen dem Werkstück und dem Rezipienten führen könnte.

Vorteilhaft ist auch eine Weiterbildung nach den Ansprüchen 9 bis 11, da dadurch eine Kon trolle der Gesamtenergiezufuhr, also durch die pulsierende Grundspannung und die hochfre quente Spannung genau kontrollierbar bzw. regelbar ist.

Schließlich ist auch eine Weiterbildung nach Anspruch 12 vorteilhaft, da durch die Verhinde rung des Aufbaus eines Lichtbogens zwischen der Elektrode und dem Werkstück sowohl eine Oberflächenbeschädigung des Werkstückes als auch der Innenwand des Rezipienten vermie den wird.

Es zeigen

Fig. 1 ein mögliches Blockschaltbild zur Durchführung des Verfahrens für die Ionisie rung eines Arbeitsgases zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes in stark vereinfachter, schematischer Darstellung;

Fig. 2 einen möglichen Verlauf einer pulsierenden Grundspannung für die Erzeugung eines pulsierenden elektrischen Feldes mit in den spannungslosen Pausen einge koppelter hochfrequenter Spannung;

Fig. 3 einen weiteren möglichen Verlauf der Grundspannung für die Erzeugung des pul sierenden elektrischen Feldes mit in den spannungslosen Pausen teilweise einge koppelter hochfrequenter Spannung;

Fig. 4 einen weiteren möglichen Verlauf der Grundspannung für die Erzeugung des pul sierenden elektrischen Feldes mit im Endbereich der Impulse der Grundspannung und über die gesamte spannungslose Pause eingekoppelter hochfrequenter Span nung;

Fig. 5 einen möglichen Verlauf einer sägezahnförmigen pulsierenden Grundspannung mit in den spannungslosen Pausen eingekoppelter hochfrequenter Spannung;

Fig. 6 einen weiteren möglichen Verlauf einer sägezahnförmigen Grundspannung mit über ihre gesamte Periodendauer eingekoppelter hochfrequenter Spannung;

Fig. 7 einen weiteren möglichen Verlauf der Grundspannung für die Erzeugung des pul sierenden elektrischen Feldes mit in den spannungslosen Pausen teilweise einge koppelter hochfrequenter Spannung.

Einführend sei festgehalten, daß in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen wer den, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf glei che Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen wer den können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z. B. oben, un ten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unter schiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsge mäße Lösungen darstellen.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild zur Durchführung des Verfahrens für die Ionisierung eines Arbeitsgases zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes 1 dargestellt. Dabei befindet sich das Werkstück 1 in einer Behandlungskammer, insbesondere einem Rezipienten 2.

Um im Inneren des Rezipienten 2 einen Unterdruck erzeugen zu können, ist dieser mit einer Vakuumpumpe 3 verbunden. Der Arbeitsdruck im Rezipienten 2 wird üblicherweise auf we nige mbar, insbesondere zwischen 0,5 bis 10 mbar (typisch 1 bis 4 mbar), gehalten.

Ein für eine Glimmentladung benötigtes Arbeitsgas 4 wird über eine Gasleitung 5 aus zumin dest einem Arbeitsgasspeicher 6 in den Rezipienten 2 gefördert. Selbstverständlich ist es auch möglich, zur Förderung des Arbeitsgases 4 aus dem Arbeitsgasspeicher 6 in den Rezipienten 2 eine Pumpe zu verwenden, die bedarfsweise auch einen Überdruck des Arbeitsgases 4 im Rezipienten 2 erzeugen kann.

Das Arbeitsgas 4 kann je nach gewünschter Oberflächenbehandlung aus Stickstoff, Sauerstoff bzw. einem Sauerstoff enthaltenden Gas bestehen. Weiters ist es auch möglich, Kohlenstoff träger wie beispielsweise Kohlenmonoxid oder Kohlendioxyd bzw. leicht flüchtige Verbin dungen wie Titantetrachlorid, Aluminiumtrichlorid und dgl. einzusetzen, bzw. alle für diesen Zweck aus dem Stand der Technik bekannten Gase zu verwenden. Selbstverständlich können auch entsprechende Spülgase, wie z. B. Edelgase, zur Erzeugung einer inerten Atmosphäre eingesetzt werden.

Dabei können diese Gase in reiner Form eingesetzt werden, oder in verschiedenen Mi schungsverhältnissen in den Rezipienten 2 eingebracht werden.

Bei der Verwendung von Gasgemischen ist es vorteilhaft, diese vor dem Einbringen in den Rezipienten 2 in einer vorgeschalteten Mischvorrichtung (in Fig. 1 nicht dargestellt) bereit zu stellen, um das gewünschte Mischungsverhältnis zu erreichen bzw. eine gute Durchmischung der verschiedenen Gase vor dem Einbringen in den Rezipienten 2 zu erreichen.

Weiters ist es möglich, das Arbeitsgas 4 vor dem Einbringen in den Rezipienten 2 zu erwär men oder abzukühlen.

Im Rezipienten 2 kann sich eine Heizung befinden, welche das Arbeitsgas 4 und das Werk stück 1 auf eine höhere Temperatur vorheizt. Durch den Beschuß der Oberfläche des Werk stückes 1 mit Ionen wird diesem kontinuierlich Energie zugeführt, d. h. das Werkstück 1 wird weiter aufgeheizt. Eine gute Möglichkeit der Temperaturkontrolle ist, eine Pulsspannung zur Erzeugung des Plasmas zu benützen. Dabei wird für eine gewisse Zeitdauer eine elektrische Spannung angelegt und dann die Spannung wieder für eine gewisse Zeitdauer abgeschaltet. Die im Rezipienten 2 vorherrschenden Arbeitstemperaturen können bis zu 700°C, insbeson dere zwischen 250° und 650°C betragen.

Die so im Rezipienten 2 ermöglichten Oberflächenbehandlungen des Werkstückes 1 reichen von Reinigen über Härten, z. B. durch Nitrieren, bis hin zu komplexen Beschichtungen.

Zur Erzeugung der Glimmentladung bzw. eines Plasmas 7 wird zwischen dem Werkstück 1 und dem Rezipient 2 eine Spannung angelegt, welche über Versorgungsleitungen 8 und 9 von einer Spannungsversorgungsvorrichtung 10 bereitgestellt wird.

Vorteilhafterweise bildet bei der Oberflächenbehandlung mittels Plasma 7 unter Verwendung von Gleichspannung das Werkstück 1 die Kathode, also den negativen Pol, und die umgeben de Wand des Rezipienten 2 die Anode, also den positiven Pol. Bei der Verwendung von Wechselspannung wirkt das Werkstück 1 wechselweise als Anode oder Kathode.

Es können auch zusätzliche Einbauten im Rezipienten, wie z. B. Gitter oder Netze, verwendet werden, die vorzugsweise mit der umgebenden Wand des Rezipienten 2 elektrisch verbunden sind.

Die von der Spannungsversorgungsvorrichtung 10 erzeugte und zwischen dem Werkstück 1 und dem Rezipienten 2 anliegende Spannung besteht vorzugsweise aus einer pulsierenden Grundspannung 11 zum Aufbau eines pulsierenden elektrischen Feldes und einer zumindest zeitweise überlagerten, hochfrequenten Spannung 12 zur Erzeugung eines hochfrequenten Wechselfeldes (siehe Fig. 2 bis 7).

Die Spannungsversorgungsvorrichtung 10 ist über Anschlußleitungen 13, 14 mit einer Ener giequelle 15, beispielsweise einem 3 × 380 V Wechselspannungsnetz verbunden. Selbstver ständlich kann die Energiequelle 15 durch jedes andere Wechselspannungsnetz oder ein Gleichspannungsnetz, wie beispielsweise einer Batterie, gebildet werden. Im gezeigten Aus führungsbeispiel ist die Energiequelle 15 durch ein zweiphasiges Wechselspannungsnetz auf gebaut.

Die Spannungsversorgungsvorrichtung 10 kann eine Gleichrichterbrücke 16 umfassen, die die Spannung der Energiequelle 15 gleichrichtet und so einen Gleichspannungszwischenkreis 17 speist. Vorteilhafterweise ist im Gleichspannungszwischenkreis 17 eine Energiespeicherein richtung 18, z. B. ein Kondensator 19, vorhanden.

Durch Ansteuern von Schalteinrichtungen 20 bis 23 ist es möglich, Spannungsblöcke bzw. Spannungsimpulse aus der Spannung im Gleichspannungszwischenkreis 17 herauszuschalten und somit die pulsierende Grundspannung 11 zu erzeugen.

Beim Ansteuern der Schalteinrichtungen 21 und 22 kann ein positiver Spannungsblock bzw. Impuls aus der Spannung im Gleichspannungszwischenkreis 17 herausgeschaltet und über die Versorgungsleitungen 8 und 9 zwischen dem Werkstück 1 und Rezipienten 2 angelegt wer den. Durch dieses Ansteuern der Schalteinrichtungen 21 und 22 ist es also möglich, eine pul sierende Gleichspannung mit positiver Amplitude zu erzeugen.

Weiters ist es durch das Ansteuern der Schalteinrichtungen 20 und 23 möglich, negative Spannungsblöcke bzw. Impulse aus der im Gleichspannungszwischenkreis 17 befindlichen Spannung herauszuschalten, das heißt durch das Ansteuern der Schalteinrichtungen 20 und 23 wird es möglich, eine pulsierende Gleichspannung mit negativer Amplitude zu erzeugen.

Durch negative Spannungsblöcke bzw. Impulse wird ein Aufheizen des Werkstückes 1 er reicht, da dabei keine positiven Ionen auf das Werkstück beschleunigt werden, sondern es nur zu einer Beschleunigung von Elektronen auf das Werkstück 1 kommt.

Durch ein wechselweises Ansteuern der Schalteinrichtungen 21, 22 bzw. 20, 23 ist es mög lich, die Polarität der erzeugten Spannungsimpulse jeweils umzukehren und so eine Wech selspannung zu erzeugen.

Selbstverständlich muß sichergestellt werden, daß die Schalteinrichtungen 21, 22 mit den Schalteinrichtungen 20, 23 verriegelt sind, um das Entstehen eines Kurzschlusses durch die gleichzeitige Bildung eines positiven und negativen Spannungsblockes zu vermeiden. Bei dieser Verriegelung der Schalteinrichtungen 20 bis 23 wird üblicherweise nach der Erzeugung des ersten Impulses eine kurze Totzeit eingehalten, bevor ein weiterer Impuls mit umgekehr ter Polarität erzeugt wird.

Eine Frequenz der durch das Ansteuern der Schalteinrichtungen 20 bis 23 erzeugten pulsie renden Grundspannung 11 ist im wesentlichen nur von der maximalen Schaltgeschwindigkeit der Schalteinrichtungen 20 bis 23 begrenzt. Mit handelsüblichen Bauteilen sind Frequenzen von einigen Herz bis mehreren hundert MHz realisierbar.

Es ist weiters möglich die Pulsweite, also die zeitliche Dauer des positiven und negativen Im pulses unterschiedlich zu gestalten. Ebenfalls ist es möglich, den Verlauf des positiven und negativen Impulses unterschiedlich auszubilden. Beispielsweise könnte also der positive Im puls als rechteckförmiger Impuls ausgebildet sein, und der negative Impuls sägezahnförmigen Verlauf aufweisen.

Zur exakten Formung der positiven und/oder negativen Spannungsblöcke bzw. Impulse der Grundspannung 11 ist es ebenfalls möglich, vor der Einkopplung der Hochfrequenten Span nung 12 eine Impulsformeinrichtung vorzusehen (in Fig. 1 nicht dargestellt).

Die Amplituden der unmittelbar aufeinanderfolgenden Impulse der pulsierenden Grundspan nung 11 können unterschiedliche Höhe aufweisen. Beispielsweise kann bei jeweils umge drehter Polarität der unmittelbar aufeinanderfolgenden Impulse der Grundspannung 11 die Amplitude der positiven Impulse größer sein als die Amplitude des negativen Impulses.

Die Grundspannung 11I kann eine Spannung bis etwa 1000 V (typisch 400 bis 600 V) aufwei sen.

Selbstverständlich ist es auch möglich, durch entsprechende Anordnung von Kondensatoren, Induktivitäten und Widerständen den Verlauf der herausgeschalteten Spannungsblöcke bzw. Impulse auch trapezförmig, dreieckförmig, sägezahnförmig oder dgl. zu gestalten. Diese An ordnungen sind aus dem Stand der Technik weitgehend bekannt und es wird darauf nicht nä her eingegangen.

Es ist vorteilhaft, zwischen den unmittelbar aufeinanderfolgenden Impulsen der Grundspan nung 11 eine spannungslose Pause zu erzeugen, um eine zu hohe Energiezufuhr durch die Grundspannung 11 und eine damit verbundene zu hohe Erwärmung des Werkstückes 1 zu vermeiden.

Die Ansteuerung der Schalteinrichtungen 20 bis 23 erfolgt über eine Steuereinrichtung 24, die analog und/oder digital bzw. in vorteilhafter Weise als Mikroprozessorsteuerung ausgebildet sein kann.

Die Schalteinrichtungen 20 bis 23 sind bevorzugt durch FETs, MOSFETs, IGBTs, Darlington Transistoren, bipolare Transistoren oder jegliche andere Art elektronischer Schalter gebildet.

Um auch während der spannungslosen Pausen zwischen den Impulsen der Grundspannung 11 die Leitfähigkeit des Arbeitsgases 4 nicht bzw. nur kaum absinken zu lassen, also das Plasma 7 im Rezipienten 2 aufrecht zu erhalten, wird die pulsierende Grundspannung 11 zumindest zeitweise, vorteilhafterweise während der spannungslosen Pause, mit der hochfrequenten Spannung 12 überlagert.

Zur Generierung einer hochfrequenten Spannung 12 zur Erzeugung eines hochfrequenten Wechselfeldes umfaßt die Spannungsversorgungsvorrichtung 10 eine Hochfrequenzabgabe einrichtung 25. Diese Hochfrequenzabgabeeinrichtung 25 kann beispielsweise durch einen Hochfrequenzgenerator, einen hochfrequenten Schwingkreis oder dgl. gebildet sein.

Der Eingang der Hochfrequenzabgabeeinrichtung 25 kann wiederum mit der Energiequelle 15 leitungsverbunden sein.

Der Ausgang der Hochfrequenzabgabeeinrichtung 25 ist mit den Versorgungsleitungen 8, 9 verbunden, und es kann nun bedarfsweise die hochfrequente Spannung 12 in die pulsierende Grundspannung 11 eingekoppelt werden. Zur Synchronisierung bzw. Abstimmung der Impul se der pulsierenden Grundspannung 11 mit den Impulsen der hochfrequenten Spannung 12 ist die Hochfrequenzabgabeeinrichtung 25 über eine Steuerleitung 26 mit der Steuereinrichtung 24 verbunden.

Eine Signalübertragung zwischen der Steuereinrichtung 24 und der Hochfrequenzabgabeein richtung 25 erfolgt vorzugsweise bidirektional, d. h. die Signalübertragung kann sowohl von der Steuereinrichtung 24 zur Hochfrequenzabgabeeinrichtung 25 erfolgen als auch umge kehrt.

Der Übersichtlichkeit halber ist nur in Fig. 1 eine Steuerleitung 26 dargestellt. Es ist selbst verständlich jedoch auch möglich, diese mehrpolig auszuführen oder durch ein Bussystem zu ersetzen.

Die Spannungsversorgungsvorrichtung 10 kann weiters eine Meßeinrichtung 27 zum Messen verschiedener Größen, beispielsweise Strom und Spannung, an Ausgangsklemmen 28, 29 der Spannungsversorgungsvorrichtung 10 umfassen. Hierzu ist es möglich, daß in einer der Ver sorgungsleitungen 8, 9 ein Stromerfassungsbauteil 30, insbesondere ein Shunt 31, angeordnet ist.

Zur Übergabe von Meßwerten bzw. Daten von der Meßeinrichtung 27 zur Steuereinrichtung 24 in analoger oder digitaler Form sind diese über eine Datenleitung 32 verbunden. Selbstver ständlich kann die Datenleitung 32 auch mehrpolig ausgebildet sein bzw. durch ein Bussy stem ersetzt werden.

Aufgrund der Messung verschiedener Größen, vorzugsweise Strom und Spannung, an den Ausgangsklemmen 28, 29 der Spannungsversorgungsvorrichtung 10 durch die Meßeinrich tung 27 und der Weitergabe der Meßwerte bzw. Daten an die Steuereinrichtung 24 kann die Steuereinrichtung 24 die Ansteuerung der Schalteinrichtungen 20 bis 23 so durchführen, daß eine Lichtbogenbildung zwischen dem Werkstück 1 und dem Rezipienten 2 weitgehendst vermieden wird bzw. ein solcher Lichtbogen durch eine fehlende Freigabe der Schalteinrich tungen 20 bis 23 abgeschaltet wird. Die Schalteinrichtungen 20 bis 23 können also mir einem Impuls-Pause-Verhältnis angesteuert werden, welches der von der Steuervorrichtung festge legten, geforderten Energiezufuhr entspricht.

Zur Erhöhung der Energiezufuhr können die Pausen gekürzt oder die Impulse verlängert wer den, zur Verringerung der Energiezufuhr können die Pausen verlängert oder die Impulse ge kürzt werden.

Eine maximale Energiezufuhr kann durch die Reduktion der Pause auf Null erreicht werden, eine minimale bzw. keine Energiezufuhr kann durch die Reduktion der Impulsdauer auf Null durchgeführt werden.

Zum Erreichen einer für den Aufbau eines elektrischen Feldes benötigte hohe Spannung ist es möglich, daß die Spannungsversorgungsvorrichtung 10 einen Transformator 33 umfaßt. Die ser Transformator 33 kann vor dem Einkoppeln der hochfrequenten Spannung 12 angeordnet sein, es ist jedoch ebenfalls möglich, daß der Transformator 33 nach der Einkopplung der hochfrequenten Spannung 12 angeordnet ist, und so beide Spannungen um den gleichen Fak tor durch den Transformator 33 erhöht werden.

Zum Anpassen unterschiedlicher Spannungsniveaus zwischen der pulsierenden Grundspan nung 11 und der hochfrequenten Spannung 12 ist es selbstverständlich ebenfalls möglich, zwei getrennte Transformatoren 33 anzuordnen, und die Einkopplung der hochfrequenten Spannung 12 in die pulsierende Grundspannung 11 erst nach diesen beiden unabhängigen Transformatoren 35 vorzunehmen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Vor den Ausgangsklemmen 28, 29 der Spannungsversorgungsvorrichtung 10 kann eine Lichtbogenerkennungseinheit 34 gekoppelt mit einer Lichtbogenabschalteeinheit 35 angeord net sein, die zum Austausch von Daten und Meßwerten mit der Steuereinrichtung 24 verbun den ist.

Der Austausch von Daten und Meßwerten zwischen der Steuereinrichtung 24 und der Licht bogenerkennungseinheit 34 bzw. der Lichtbogenabschalteeinheit 35 kann bidirektional, ana log und/oder digital bzw. über ein Bussystem erfolgen.

Die Verhinderung des Zünders eines Lichtbogens zwischen dem Werkstück 1 und dem Rezi pienten 2 erfolgt also einerseits durch eine entsprechende Ansteuerung der Schalteinrichtun gen 20 bis 23 durch die Steuereinrichtung 24, andererseits durch eine Synchronisierung der Steuereinrichtung 24 mit der Hochfrequenzabgabeeinrichtung 25. Steigt die in den Rezipien ten 2 eingebrachte Energie durch die Grundspannung 11 oder die hochfrequente Spannung 12 unzulässig an, was ein Zünden eines Lichtbogens zwischen dem Rezipienten 2 und dem Werkstück 1 zur Folge hätte, wird dies von der Meßeinrichtung 27 erfaßt und diese Informa tionen an die Steuereinrichtung 24 weitergegeben, sodaß diese die Energiezufuhr in den Rezi pienten 2 durch Verlängerung der Pause bzw. Verkürzung der Impulsdauer der pulsierenden Grundspannung 11 und/oder dem Aussetzen der Einkopplung der hochfrequenten Spannung 12 auf einen zulässigen Wert regeln kann.

Sollte es dennoch zur einem unerwünschten Kurzschluß im Plasma 7 zwischen dem Werk stück 1 und dem Rezipienten 2 kommen, so kann dieser durch Überwachung von Prozeßpa rametern, insbesondere Strom und Spannung von der Lichtbogenerkennungseinheit 34 er kannt und durch die Lichtbogenabschalteeinheit 35 bzw. durch Weitergabe von Informationen an die Steuereinrichtung 24, welche die Freigabe der jeweiligen Schalteinrichtungen 20 bis 23 zur Generierung des nächsten Spannungsimpulses der pulsierenden Grundspannung 11 sperrt, sofort abgeschaltet werden.

Vorzugsweise wird die Bildung eines Lichtbogens noch vor dessen wirklichen Zünders durch die Meßeinrichtung 27 und/oder Lichtbogenerkennungseinheit 34 durch Überwachung von Prozeßparametern, insbesondere Strom und Spannung erkannt bzw. durch Weitergabe von Informationen an die Steuereinrichtung 24 und Verlängerung der Pause bzw. Verkürzung der Impulsdauer der pulsierenden Grundspannung 11 und/oder dem Aussetzen der Einkopplung der hochfrequenten Spannung 12 verhindert, um eine Oberflächenbeschädigung des Werk stückes 1 durch den Lichtbogen zu verhindern.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die durch die pulsierende Grundspannung 11 und die eingekuppelte hochfrequente Spannung 12 eingebrachte Energie geringer gehalten, als die zum Aufbau eines Lichtbogens zwischen dem Rezipienten 2 und dem als zweite Elek trode wirkenden Werkstück 1 benötigten Energie, jedoch wird während der spannungslosen Pause der Grundspannung 11 die Ionisierung des Arbeitsgases 4 im Rezipienten 2 aufrecht erhalten.

Zum Schutz der Schalteinrichtungen 20 bis 23 vor Überspannungen, zu großen Strömen oder zu großer Stromanstiegsgeschwindigkeit können alle aus dem Stand der Technik hinreichend bekannten, der Übersichtlichkeit halber aber nicht dargestellten Schutzeinrichtungen, wie bei spielsweise Freilaufdioden, Drosseln und dgl. zum Einsatz kommen.

In den Fig. 2 bis 7 sind unterschiedliche zeitliche Verläufe der pulsierenden Grundspannung 11 und der eingekoppelten hochfrequenten Spannung 12 dargestellt.

In Fig. 2 ist eine bipolare, pulsierende Grundspannung 11 dargestellt, die zwischen ihren un mittelbar aufeinanderfolgenden rechteckförmigen Impulsen spannungslose Pausen aufweist. Diese Pausen in der pulsierenden Grundspannung 11 dienen dazu, um den im Rezipienten 2 befindlichen Werkstück 1 eine kurze Phase der Abkühlung zu ermöglichen und so eine unzu lässig hohe Erwärmung des Werkstückes 1 zu vermeiden.

Durch das Einkoppeln der hochfrequenten Spannung 12 kann jedoch wirkungsvoll vermieden werden, daß das Plasma 7 im Rezipienten 2 zusammenbricht bzw. die Ionisierung des Ar beitsgases 4 im Rezipienten 2 abnimmt.

Die hochfrequente Spannung 12 wird dabei über die gesamte Länge der spannungsfreien Pau se der pulsierenden Grundspannung 11 eingekoppelt.

Vorteilhaft ist hierbei, daß durch das Einkoppeln der hochfrequenten Spannung 12 über die gesamte Länge der spannungsfreien Pause der pulsierenden Grundspannung 11 ein Absinken der Leitfähigkeit des Arbeitsgases 4 weitgehend vermieden wird und somit die gesamte Ener gie des nachfolgenden Impulses der Grundspannung 11 zur Durchführung der gewünschten Oberflächenbehandlung des Werkstückes 1 verwendet werden kann, da keine Energie der Grundspannung 11 zum neuerlichen Aufbau der Leitfähigkeit des Arbeitsgases 4 verwendet werden muß.

In Fig. 3 ist wiederum eine bipolare, pulsierende Grundspannung 11 gezeigt, welche in ihrer spannungslosen Pause zwischen den unmittelbar aufeinanderfolgenden rechteckförmigen Im pulsen mit der hochfrequenten Spannung 12 überlagert wird. Dabei wird die hochfrequente Spannung 12 jedoch lediglich über einen Teilbereich der spannungslosen Pause der Grund spannung 11 eingekoppelt und es entsteht ein Bereich 36, indem weder durch die Grundspan nung 11 noch durch die hochfrequente Spannung 12 Energie in den Rezipienten 2 zugeführt wird.

Der Vorteil des Einhaltens des Bereiches 36, indem keine hochfrequente Spannung 12 in die pulsierende Grundspannung 11 eingekoppelt wird, besteht darin, daß dadurch eine "Beruhi gung" des Arbeitsgases 4 erreichbar ist und durch das kurzzeitige Fehlen einer Energiezufuhr eine Bereitschaft zum Zünden eines Lichtbogens zwischen dem Werkstück 1 und dem Rezi pienten 2 stark zurückgeht.

Es ist auch möglich, den Bereich 36 nicht, wie in Fig. 3 dargestellt, vor der steigenden Flanke eines Impulses der Grundspannung 11 vorzusehen, sondern diesen nach einer fallenden Flan ke der Grundspannung 11 anzuordnen.

Dieser Bereich 36 ist jedoch zeitlich so kurz bemessen, daß kaum ein Absinken der Ionisie rung des Arbeitsgases 4 entsteht.

In der Fig. 4 ist wiederum eine bipolare, pulsierende Grundspannung 11 gezeigt. Zur Erhö hung der Energiezufuhr in den Rezipienten 2 wird aber hier die hochfrequente Spannung 12 schon während der positiven und negativen Impulse der Grundspannung 11 und über die ge samte spannungslose Pause der Grundspannung 11 überlagert.

Vorteilhaft einer Einkopplung der hochfrequenten Spannung 12 schon während des positiven oder negativen Impulses der Grundspannung 11 ist, daß dadurch die Amplitude der Grund spannung 11 niedriger gewählt werden kann und es somit möglich ist, Energiekosten einzu sparen.

In Fig. 5 ist eine bipolare pulsierende Grundspannung 11 mit einem sägezahnförmigen Ver lauf gezeigt, die zwischen den unmittelbar aufeinanderfolgenden Impulsen eine spannungslo se Pause aufweist. In dieser spannungslosen Pause der Grundspannung 11 wird, wie schon in Fig. 2 beschrieben, zur Aufrechterhaltung der Ionisierung des Arbeitsgases 4 die hochfre quente Spannung 12 eingekoppelt.

Bei Anwendung eines sägezahnförmigen bzw. dreieckförmigen Verlaufes der pulsierenden Grundspannung 11 ist es natürlich auch denkbar, den sägezahnförmigen Verlauf nicht, wie in Fig. 5 dargestellt, durch eine langsam ansteigende Flanke und eine steil abfallende Flanke zu bilden, sondern den zeitlichen Verlauf zu spiegeln, d. h. die steigende Flanke sehr steil und den Verlauf der fallenden Flanke flach auszubilden.

Vorteilhaft dazu ist, daß durch einen steilen Anstieg der steigenden Flanke die Energiedichte des Impulses der pulsierenden Grundspannung 11 am Anfang sehr hoch ist, wodurch ein Be schuß des Werkstückes 1 mit Ionen leichter in Gang kommt und die Verweildauer des Werk stückes 1 im Rezipienten 2 für die gewünschte Oberflächenbehandlung verringert werden kann.

In Fig. 6 ist wiederum eine bipolare pulsierende Grundspannung 11 mit sägezahnförmigem Verlauf gezeigt, jedoch wird hierbei die hochfrequente Spannung 12 über die gesamte Peri odendauer der pulsierenden Grundspannung 11 eingekoppelt. Dadurch kann eine Abnahme der Ionisierung des Arbeitsgases 4 sehr wirkungsvoll verhindert werden.

Wie schon in Fig. 5 beschrieben kann der zeitliche Verlauf der sägezahnförmigen bzw. recht eckförmigen pulsierenden Grundspannung 11 gespiegelt werden, d. h. die ansteigende Flanke steil ausgebildet sein und die abfallende Flanke einen flachen Verlauf aufweisen.

Weiters ist es möglich, die Einkopplung der hochfrequenten Spannung 12 während einer kur zen Zeitdauer, in der die pulsierende Grundspannung ihren Maximalwert erreicht, auszuset zen, um damit das Entstehen einer Energiespitze, die das Zünden eines Lichtbogens zwischen dem Werkstück 1 und dem Rezipienten 2 begünstigen würde, zu verhindern.

In der Fig. 7 ist eine dipolare pulsierende Grundspannung 11 dargestellt, die zwischen ihren unmittelbar aufeinanderfolgenden, rechteckförmigen Impulsen spannungslose Pausen auf weist, wie dies schon in den Fig. 2 bis 4 beschrieben wurde. Im Gegensatz zu Fig. 3 ist hier der Bereich 36 jeweils am Ende eines positiven oder negativen Spannungsimpulses der Grundspannung 11 angeordnet. In diesem spannungslosen Bereich 36 wird dem Werkstück 1 weder durch die pulsierende Grundspannung 11 noch durch die hochfrequente Spannung 12 Energie zugeführt. Erst nach diesem Bereich 36 erfolgt die Einkoppelung der hochfrequenten Spannung 12, die wiederum die Leitfähigkeit des Arbeitsgases 4 während der spannungslosen Pause der pulsierenden Grundspannung 11 aufrecht erhält.

Die in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsvarianten sind nur als beispielhafte Darstel lungen zu verstehen. Es ist selbstverständlich möglich, der pulsierenden Grundspannung 11 einen anderen Verlauf als rechteckförmig bzw. sägezahnförmig oder dreieckförmig zu geben. Weiters ist es möglich, die hochfrequente Spannung 12 während jedes beliebigen Teilab schnittes der pulsierenden Grundspannung 11 einzukoppeln und diese sowohl mit einem po sitiven als auch mit einem negativen Spannungsimpuls beginnen zu lassen. So ist es bei spielsweise auch möglich die hochfrequente Spannung 12 während zumindest eines Teilbe reiches einer ansteigenden oder abfallenden Flanke der positiven und/oder negativen Impulse der Grundspannung 11 einzukoppeln.

Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, daß zum besseren Verständnis des Blockschaltbildes in Fig. 1 dieses bzw. dessen Bestandteile rein schematisch dargestellt wur den bzw. in den Fig. 2 bis 7 die Amplituden der pulsierenden Grundspannung 11 und der hochfrequenten Spannung 12 unmaßstäblich dargestellt sind, sowie aus dem zeitlichen Ver lauf der pulsierenden Grundspannung 11 und der hochfrequenten Spannung 12 keine Rück schlüsse auf deren Frequenzverhältnis zu schließen sind, d. h., daß die Frequenzen in einem anderen Verhältnis stehen können, als das in den Fig. 2 bis 7 dargestellt ist.

Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Be schreibung entnommen werden.

Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1; 2, 3, 4, 5, 6, 7 gezeigten Ausführungen und Maßnahmen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen, erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.

Bezugszeichenaufstellung

1

Werkstück

2

Rezipient

3

Vakuumpumpe

4

Arbeitsgas

5

Gasleitung

6

Arbeitsgasspeicher

7

Plasma

8

Versorgungsleitung

9

Versorgungsleitung

10

Spannungsversorgungsvorrichtung

11

Grundspannung

12

Spannung (eingekoppelte)

13

Anschlußleitung

14

Anschlußleitung

15

Energiequelle

16

Gleichrichterbrücke

17

Gleichspannungszwischenkreis

18

Energiespeichereinrichtung

19

Kondensator

20

Schalteinrichtung

21

Schalteinrichtung

22

Schalteinrichtung

23

Schalteinrichtung

24

Schalteinrichtung

25

Hochfrequenzabgabeeinrichtung

26

Steuerleitung

27

Meßeinrichtung

28

Ausgangsklemme

29

Ausgangsklemme

30

Stromerfassungsbauteil

31

Shunt

32

Datenleitung

33

Transformator

34

Lichtbogenerkennungseinheit

35

Lichtbogenabschalteeinheit

36

Bereich

Claims

1. Verfahren für die Ionisierung eines Arbeitsgases zur Oberflächenbehandlung eines Werkstückes, bei dem eine pulsierende Grundspannung zwischen zumindest einer An ode und zumindest einer Kathode zum Aufbau eines pulsierenden, elektrischen Feldes ange legt wird, wobei das Werkstück als Anode oder als Kathode verwendet wird, dadurch gekenn zeichnet, daß die pulsierende Grundspannung zumindest zeitweise mit einer hochfrequenten Spannung zur Erzeugung eines hochfrequenten Wechselfeldes überlagert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundspannung durch intermittierend abgegebene, positive Impulse aufgebaut wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grund spannung durch abwechselnd positive und negative Impulse aufgebaut wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den positiven oder den positiven und negativen, unmittelbar aufeinanderfolgenden Impulsen der Grundspannung ein spannungsloser Zwischenraum gebil det wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die pulsierende Grundspannung durch rechteckförmige, positive und negative Spannungsimpulse gebildet wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die pulsierende Grundspannung durch sägezahnförmige, positive und negative Impulse gebildet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequente Spannung zur Erzeugung eines hochfrequenten Wech selfeldes zumindest über einen Teilbereich der gesamten Periodendauer der Grundspannung eingekoppelt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequente Spannung zur Erzeugung eines hochfrequenten Wech selfeldes zumindest über den Teilbereich der Grundspannung eingekoppelt wird, in welchem die Grundspannung unterhalb ihres positiven oder oberhalb ihres negativen Maximalwertes liegt.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequente Spannung über zumindest einen Teilbereich des span nungsfreien Zwischenraumes der Grundspannung eingekoppelt wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequente Spannung in zumindest einen Teilbereich der anstei genden Flanke des positiven und/oder negativen Impulses der Grundspannung eingekoppelt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequente Spannung in zumindest einen Teilbereich einer abfal lenden Flanke der positiven und/oder negativen Impulse der Grundspannung eingekoppelt wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das pulsierende elektrische Feld und das eingekoppelte, hoch frequente Wechselfeld eingebrachte Energie geringer ist als die zum Aufbau eines zwischen den Rezipienten und dem als zweite Elektrode wirkenden Werkstück brennenden Lichtbogens benötigte Energie.