DE1261971B - Equipment for welding, cutting or material processing by means of a charge carrier beam - Google Patents
Equipment for welding, cutting or material processing by means of a charge carrier beamInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES W¥W PATENTAMTFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN W ¥ W PATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. CL:Int. CL:
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Deutsche Kl.: 21h-32/20 German class: 21h-32/20
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Z9916VIIId/21h
14. Februar 1963
29. Februar 1968Z9916VIIId / 21h
February 14, 1963
February 29, 1968
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schweißen, Schneiden oder zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahls, bei welcher zwei hintereinander angeordnete elektronenoptische Linsen ein Bild einer Ladungsträgerquelle entwerfen.The invention relates to a device for welding, cutting or material processing by means of a charge carrier beam in which two electron-optical lenses arranged one behind the other create an image of a source of charge carriers.
Es ist bereits bekannt, daß man einen sehr intensiven Elektronenstrahl dazu benutzen kann, zwei metallische Werkstücke miteinander zu verschweißen, daß man ferner mit einem Elektronenstrahl auch metallische Werkstücke schneiden oder teilen kann und daß man schließlich mittels eines Elektronenstrahles auch Werkstoffe bohren oder fräsen kann, d. h. das betreffende Material bearbeiten kann.It is already known that a very intense electron beam can be used for this, two to weld metallic workpieces together, that you can also use an electron beam metallic workpieces can be cut or divided and that one can finally use an electron beam can also drill or mill materials, d. H. can process the material in question.
Es ist ferner bekannt, einen für diese Zwecke geeigneten Elektronenstrahlbrennfleck dadurch herzustellen, daß man mittels einer elektronenoptischen Linse ein verkleinertes Bild einer Kathode oder einer Blende, durch welche ein Elektronenstrahl hindurchtritt, entwirft.It is also known to produce an electron beam focal point suitable for these purposes by that by means of an electron optical lens a reduced image of a cathode or a Aperture through which an electron beam passes, designs.
Ein durch eine solche verkleinernde elektronenoptische Linse erzeugter Elektronenstrahl ist jedoch für die eingangs genannten technischen Aufgaben noch nicht in allen Fällen ohne weiteres geeignet.However, an electron beam generated by such a reducing electron optical lens is not yet readily suitable in all cases for the technical tasks mentioned at the beginning.
Zwischen der elektronenoptischen Linse, welche das erwähnte verkleinerte Bild der Elektronenquelle entwirft, und diesem Bild selbst besteht nämlich, wenn man nicht zu ungebührlich großen Abmessungen der Elektronenstrahlapparatur kommen will, nur ein Abstand von etwa 4 bis 6 cm. Wenn es sich um ein Werkstück mit einer genau oder einigermaßen ebenen Oberfläche handelt, so kann man zwar die zu bearbeitende Oberfläche ohne Schwierigkeit in die Ebene des erwähnten verkleinerten elektronenoptischen Bildes legen. Wenn es sich jedoch um ein Werkstück handelt, bei welchem die zu bearbeitende Oberfläche beispielsweise der Boden eines Bechers ist, und wenn der Becherrand höher als der erwähnte Abstand von 4 bis 6 cm ist, so kann man mit der erwähnten verkleinernden Linse aHein keinen scharfen Brennfleck auf dem Werkstück erzeugen.Between the electron optical lens, which has the aforementioned reduced image of the electron source designs, and this picture itself exists, if one does not have unduly large dimensions the electron beam apparatus wants to come, only a distance of about 4 to 6 cm. If it is A workpiece with an exactly or reasonably flat surface is involved, so you can admittedly to machining surface without difficulty in the plane of the aforementioned reduced electron-optical Place image. However, if it is a workpiece in which the Surface is, for example, the bottom of a mug, and if the edge of the mug is higher than that mentioned If the distance is 4 to 6 cm, the mentioned reducing lens aHein cannot be used for sharpness Create a focal point on the workpiece.
Eine weitere Schwierigkeit, die bei Benutzung des erwähnten, durch elektronenoptische Verkleinerung
erzeugten Strahlquerschnittes auftritt, liegt darin, daß in dem geringen Abstand zwischen der elektronenoptischen
Linse und der Ebene des verkleinerten Bildes zwar noch ein elektromagnetisches Ablenksystem
für die Bewegung des Elektronenstrahles zur Werkstückoberfläche angebracht werden kann, daß
aber von dem Elektronenstrahl nur eine verhältnismäßig kleine Fläche auf dem Werkstück bestrichen
werden kann, die nicht für alle Bearbeitungsaufgaben ausreicht. Es ist aber wünschenswert, den Elektronen-Einrichtung
zum Schweißen, Schneiden
oder zur Materialbearbeitung mittels eines
LadungsträgerstrahlsAnother difficulty that arises when using the beam cross-section generated by electron-optical reduction is that, in the small distance between the electron-optical lens and the plane of the reduced image, an electromagnetic deflection system can still be attached for the movement of the electron beam to the workpiece surface but that only a relatively small area on the workpiece can be coated by the electron beam, which is not sufficient for all machining tasks. But it is desirable to use the electron device for welding, cutting
or for material processing by means of a
Charge carrier beam
Anmelder:Applicant:
United Aircraft Corporation,United Aircraft Corporation,
East Hartford, Conn. (V. St. A.)East Hartford, Conn. (V. St. A.)
Vertreter:Representative:
Dipl.-Ing. F. Weickmann,Dipl.-Ing. F. Weickmann,
Dipl.-Ing. H. WeickmannDipl.-Ing. H. Weickmann
und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,and Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, patent attorneys,
8000 München 27, Möhlstr. 228000 Munich 27, Möhlstr. 22nd
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Dipl.-Ing. Fritz Schleich, 7083 Wasseralfingen - -Dipl.-Ing. Fritz Schleich, 7083 Wasseralfingen - -
strahl gegenüber der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes auch mit der erwähnten elektromagnetischen Ablenkeinrichtung zu verstellen, da die mechanische Verschiebung des Werkstückes gegenüber dem ruhenden Elektronenstrahl nicht in allen Fällen mit der gewünschten Geschwindigkeit möglich ist bzw. in vielen Fällen zu technisch unbequemen Lösungen führt.beam against the surface of the workpiece to be machined with the aforementioned electromagnetic Adjust the deflection device, as the mechanical displacement of the workpiece opposite the resting electron beam is not possible in all cases with the desired speed is or in many cases leads to technically inconvenient solutions.
Bei einer bekannten elektronenoptischen Schweißeinrichtung ist das elektronenoptische System mit zwei elektromagnetischen Fokussierungslinsen versehen. Die erste Linse fokussiert den Elektronenstrahl so, daß sein Brennfleck in der Öffnung einer Blende liegt. Der von dieser Öffnung ausgehende Strahl wird mittels der zweiten Linse auf das Werkstück fokussiert. Der einzige Zweck dieser Einrichtung ist die Fernhaltung von Gasen vom Strahlerzeugungsraum. Beide Linsen bilden im Verhältnis 1:1 ab. Das bedeutet, daß bei dieser Einrichtung die vorher erwähnten Schwierigkeiten auftreten. Der Durchmesser des Brennflecks ist relativ groß, so daß keine sehr große Leistungsdichte erreicht werden kann. Ferner ist der Abstand zwischen der zweiten Linse und dem Werkstück relativ klein.In a known electron-optical welding device, the electron-optical system is with two electromagnetic focusing lenses. The first lens focuses the electron beam so that its focal point lies in the opening of a diaphragm. The one emanating from this opening The beam is focused on the workpiece by means of the second lens. The only purpose of this facility is to keep gases away from the beam generation room. Both lenses form in proportion 1: 1 from. This means that this device has the aforementioned difficulties. Of the The diameter of the focal spot is relatively large, so that a very high power density cannot be achieved can. Furthermore, the distance between the second lens and the workpiece is relatively small.
Aufgabe der Erfindung ist es, das elektronenoptische System der Einrichtung zum Schweißen, Schneiden oder zur Materialbearbeitung mit zwei elektromagnetischen Linsen so auszubilden, daß ein größerer Abstand zwischen der dem WerkstückThe object of the invention is to provide the electron-optical system of the device for welding, Cutting or for material processing with two electromagnetic lenses so that one greater distance between the workpiece
809 510/270809 510/270
Die Zeichnung läßt bereits erkennen, daß durch den Kunstgriff der Einfügung der Linse 7 zwischen die Linse 5 und das Werkstück nunmehr ein erheblich größerer freier Raum oberhalb des Werkstückes 5 geschaffen worden ist, während man nur einen sehr kleinen freien Raum zur Verfugung haben würde, wenn man das Werkstück in die Ebene der Lochblende 6 bringen würde.The drawing already shows that the trick of inserting the lens 7 between the lens 5 and the workpiece has now created a considerably larger free space above the workpiece 5, while only a very small free space would be available if the workpiece would be brought into the plane of the aperture 6 .
Man kann also bei dieser Einrichtung auch nochSo you can still do this with this facility
näheren Linse und dem Werkstück und ein kleinerer Brennfleck erreicht wird.closer lens and the workpiece and a smaller focal point is achieved.
Durch Wahl einer geeigneten Brennweite für die weitere elektronenoptische Linse hat man es dann in der Hand, einen genügend großen Abstand zwischen der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche und der letzten elektronenoptischen Linse herzustellen.By choosing a suitable focal length for the further electron-optical lens, you have it in hand, a sufficiently large distance between the workpiece surface to be machined and the last electron optical lens manufacture.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die erste elektronenoptische Linse ein verkleinertes Bild derThis object is achieved in that the first electron optical lens is a reduced image of the
Ladungsträgerquelle entwirft und die zweite elektro- io solche Werkstücke bearbeiten, die in dem engen,Charge carrier source designs and the second electro- io process such workpieces that are in the narrow,
nenoptische Linse von diesem verkleinerten Bild ein zwischen der Linse 5 und der Ebene der Loch-optical lens of this reduced image between the lens 5 and the plane of the hole
unvergrößertes oder schwach vergrößertes Bild auf blende 6 zur Verfugung stehenden Raum nicht mehrUnenlarged or slightly enlarged image on fade 6 of the available space is no longer available
dem Werkstück entwirft. Platz finden könnten.designs the workpiece. Could find space.
Versuche haben gezeigt, daß man mit einer 15- Die dargestellte Ausführungsform der Erfindung bis 18fachen Verkleinerung der ersten elektronen- 15 zeigt auch noch eine weitere Verbesserung, welcheTests have shown that with a 15- The illustrated embodiment of the invention up to 18 times the reduction of the first electrons - 15 also shows a further improvement, which
optischen Linse arbeiten kann und mit einer etwa sich auf die Ausgestaltung der elektromagnetischenoptical lens can work and with an approximate focus on the design of the electromagnetic
2,5fachen Vergrößerung der zweiten elektronen- Ablenkeinrichtung zwischen der Linse 7 und dem2.5 times magnification of the second electron deflection device between the lens 7 and the
optischen Linse. Der Abstand der Hauptebenen der Werkstück 8 bezieht.optical lens. The distance between the main planes of the workpiece 8 relates.
beiden Linsen kann dann bei tragbaren Abmessungen Es war bereits oben erwähnt worden, daß es nicht für das ganze Gerät etwa 13 cm betragen, was einen 20 immer zweckmäßig oder möglich ist, das Werkstück 8 Abstand des Werkstückes von der schwach vergrö- innerhalb der an das Gehäuse 4 anschließenden Beßernden elektronenoptischen Linse von etwa 30 cm arbeitungskammer 9 gegenüber dem ruhenden Elekergibt. Dieser Raum oberhalb der Werkstückober- tronenstrahl 10 zu verschieben. Grundsätzlich ist es fläche ist vollkommen ausreichend, um auch eine zwar möglich, dieses Werkstück 8, welches mittels Bearbeitung von Werkstücken von der Form des 25 Backen 11 auf einem Tisch 12 gehaltert wird, in zwei obenerwähnten Bechers zu ermöglichen, und reicht beispielsweise senkrecht zueinander stehenden Koferner auch dazu aus, oberhalb des Werkstückes ein ordinaten gegenüber dem feststehenden Elektronenelektromagnetisches Ablenksystem unterzubringen, strahl 10 zu verlagern und dadurch den Elektronendas die Verstellung des Fußpunktes des Ladungs- strahl jeweils genau auf die zu bearbeitende Werkträgerstrahles über eine genügend große Fläche des 30 stückstelle zu lenken.both lenses can then be at portable dimensions. It has already been mentioned above that it is not be about 13 cm for the entire device, which is always useful or possible for a 20, the workpiece 8 Distance of the workpiece from the slightly enlarged within the improvement adjoining the housing 4 electron-optical lens of about 30 cm working chamber 9 compared to the resting Eleker. To move this space above the workpiece electron beam 10. Basically it is area is completely sufficient to make a possible, this workpiece 8, which by means of Machining of workpieces of the shape of the 25 jaw 11 is supported on a table 12, in two To enable the above-mentioned mug, and is sufficient, for example, cases that are perpendicular to one another also to accommodate an ordinate opposite the fixed electron electromagnetic deflection system above the workpiece, to displace beam 10 and thereby the electrons the adjustment of the foot point of the charge jet precisely to the workpiece carrier jet to be processed to steer over a sufficiently large area of the 30 piece point.
Werkstückes gestattet. Wenn aber beispielsweise innerhalb sehr kurzer An Hand der schematischen Zeichnung sei eine Zeit eine Reihe von Löchern in dem Werkstück 8 Ausführungsform der Erfindung erläutert, welche angebracht werden sollen, so ist es zweckmäßig, den gleichzeitig noch eine Verbesserung der erfmdungs- Elektronenstrahl 10 nach seinem Durchtritt durch gemäßen Einrichtung, erkennen läßt, die man an dem 35 die Linse 7 mittels einer elektromagnetischen AbAblenksystem anbringen kann, welches zwischen lenkeinrichtung zu verlagern.Workpiece permitted. But if, for example, within a very short time With the aid of the schematic drawing, let a series of holes in the workpiece 8 be assumed Embodiment of the invention explains which are to be attached, so it is appropriate to the at the same time an improvement in the electron beam 10 according to the invention after it has passed through according to device, can be seen, which one on the 35 the lens 7 by means of an electromagnetic deflection system can attach which to shift between steering device.
dem Werkstück und der unvergrößert oder schwach Eine Ablenkeinrichtung, welche eine Verbesserung vergrößert abbildenden Linse liegt. Alle für die Er- des beschriebenen Gerätes darstellt, sei in ihrem findung nicht wesentlichen Bestandteile des Elektro- Aufbau und in ihrer Wirkungsweise im folgenden an nenstrahlgerätes, wie z. B. Justiervorrichtungen für 40 Hand der Zeichnung für den speziellen Fall erläutert, den Strahl, sind in der Zeichnung fortgelassen. daß in dem Werkstück 8 im Anschluß an ein Loch In der Zeichnung ist mit 1 eine Kathode, mit 2 ein an der Stelle der strichpunktierten Linie 13, welches Steuerzylinder und mit 3 eine geerdete Anode eines sich in der Mitte des Werkstückes befinden möge, Elektronenstrahlerzeugungssystems bezeichnet. noch ein weiteres Loch an der Stelle der strichpunk-Das Tastverhältnis der Steuerimpulse kann bei- 45 tierten Linie 14 und ein drittes Loch an der Stelle spielsweise 1: 2 betragen, d. h., die Impulsdauer und der strichpunktierten Linie 15 hergestellt werden soll, die Impulspause sind gleich lang. Die Dauer eines Das Loch 13 läßt sich durch den Elektronenstrahl einzelnen Elektronenstrahlimpulses wird dabei etwa 10 in der Mitte des Werkstückes 8 ohne weiteres in zu 10~3 Sekunden gewählt. . an sich bekannter Weise herstellen. Zur Herstellung Unterhalb der Anode 3 befindet sich in dem Ge- 50 des nächsten Loches der gewünschten Lochreihe, häuse 4 des Elektronenstrahlgerätes eine elektronen- also des Loches an der Stelle der strichpunktierten optische Linse, welche aus einer mit Gleichstrom Linie 14, wird mittels einer aus vier Spulen bestehengespeisten Spule 5 besteht und welche in der Ebene den, an sich bekannten Ablenkeinrichtung 16 der einer Lochblende 6 ein verkleinertes Bild der Elek- Elektronenstrahl 10 so abgelenkt, wie es durch die tronenquelle entwirft, die man entweder in der 55 punktierte Linie 10 α angedeutet ist, und sodann in Kathodenoberfläche oder in der von Elektronen- einer weiteren, ebenfalls aus vier Spulen bestehenden strahlen erfüllten Mittelöffnung der Anode 3 sehen elektromagnetischen Ablenkeinrichtung 17, die sich kann. Dieses verkleinerte Bild in der Ebene der unterhalb der Ablenkeinrichtung 16 befindet, noch-Lochblende 6 wird nun durch eine weitere, aus einer mais abgelenkt, so daß er wieder parallel zur Richgleichstromgespeisten Spule 7 bestehenden elektro- 60 tung des ursprünglichen Strahls 10 verläuft. Die an nenoptischen Linse in die Ebene des zu bearbeiten- der Stelle der strichpunktierten Linie 14 erzeugte den Werkstückes 8 abgebildet. Bei den dargestellten Bohrung kann also dann genau parallel zu der Boh-Abständen zwischen der Lochblende 6 und der rung 13 hergestellt werden. Die Bohrung 15 kann Spule 7 einerseits und der Spule 7 und dem Werk- nun dadurch hergestellt werden, daß man in der Abstück 8 andererseits ist die Größe des elektronen- 65 lenkeinrichtung 16 den Strahl noch etwas stärker als optischen Bildes in der Ebene der Lochblende 6 und für die Herstellung der Bohrung 14 ablenkt und in auf der Oberfläche des Werkstückes 8 etwa gleich der Ablenkeinrichtung 17 eine solche Stromstärke groß. einstellt, daß an der Stelle der strichpunktierten Liniethe workpiece and the unenlarged or weakly A deflector, which is an enhancement magnified imaging lens. All the devices described for the earth are not essential components of the electrical structure in their invention and in their mode of operation in the following on nenstrahlgerätes, such as. B. Adjustment devices for 40 hand of the drawing explained for the special case, the beam, are omitted in the drawing. that in the workpiece 8 following a hole In the drawing, 1 denotes a cathode, 2 a at the point of the dash-dotted line 13, which control cylinder and 3 a grounded anode of an electron gun may be located in the center of the workpiece . Another hole at the point of the dash-dotted line 14 and a third hole at the point, for example, be 1: 2, ie the pulse duration and the dash-dotted line 15 are to be produced, the pulse pause of equal length. The duration of an electron beam pulse that can be The hole 13 can be selected by the electron beam is about 10 in the middle of the workpiece 8 easily in 10 ~ 3 seconds. . produce in a known manner. To manufacture Below the anode 3, in the area 50 of the next hole of the desired row of holes, housing 4 of the electron beam device, there is an electron- that is, the hole at the location of the dot-dash optical lens, which is made up of a direct current line 14, is made by means of a four coils exist-fed coil 5 and which in the plane of the known deflector 16 of a pinhole 6 deflects a reduced image of the electron beam 10 as it is designed by the electron source, which is either in the 55 dotted line 10 α is indicated, and then in the cathode surface or in the center opening of the anode 3, which is filled with electrons and also consists of four coils, electromagnetic deflection device 17, which can be seen. This reduced image in the plane of the still-pinhole 6 located below the deflection device 16 is now deflected by a further one made of a corn so that it again runs parallel to the direct current fed coil 7 of the original beam 10. The workpiece 8 generated at the optical lens in the plane of the point to be machined of the dash-dotted line 14 is mapped. In the case of the hole shown, it is then possible to produce exactly parallel to the hole spacing between the perforated diaphragm 6 and the tion 13. The bore 15 can coil 7 on the one hand and the coil 7 and the work- now, that in the section 8 on the other hand, the size of the electron-steering device 16 is the beam somewhat stronger than the optical image in the plane of the aperture 6 and for the production of the bore 14 deflects and on the surface of the workpiece 8 approximately equal to the deflection device 17, such a current intensity is large. sets that at the point of the dash-dotted line
15 der Strahl wieder senkrecht zur Werkstückoberfläche, d. h. parallel zur Richtung des ursprünglichen Strahls 10 auftrifft.15 the beam again perpendicular to the workpiece surface, d. H. parallel to the direction of the original Beam 10 strikes.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich aus der folgenden Überlegung.A further improvement results from the following consideration.
Für jede elektronenoptische Abbildung eines parallelen Strahlenbündels in einen Punkt kann man eine Größe J r definieren, die durch die GleichungFor each electron-optical image of a parallel bundle of rays in a point, a quantity J r can be defined, which is given by the equation
Ar = C0- *3 Ar = C 0 - * 3
gegeben ist. Die Größe Ar ist der Radius des optischen Bildes des parallelen Strahlenbündels, und der Winkel α ist der sogenannte Aperturwinkel oder Öffnungswinkel, nämlich der halbe Öffnungswinkel desjenigen Strahlenkegels, dessen Basiskreis in der Bohrung der elektronenoptischen Linse liegt und dessen Spitze an der Stelle des Brennfleckes liegt. Die Größe C0 nennt man die Öffnungsfehlerkonstante.given is. The quantity Ar is the radius of the optical image of the parallel beam, and the angle α is the so-called aperture angle or opening angle, namely half the opening angle of that cone of rays whose base circle lies in the bore of the electron-optical lens and whose tip lies at the point of the focal point. The quantity C 0 is called the opening error constant.
Da die Forderung nach einem kleinen Brennfleck einen kleineren Wert von Δ r und die Forderung nach großer Intensität einen großen Wert von α vorschreibt, muß also offenbar die Öffnungsfehlerkonstante Cü möglichst klein werden.Since the requirement for a small focal spot prescribes a smaller value of Δ r and the requirement for high intensity prescribes a large value of α, the aperture error constant C u must obviously be as small as possible.
Nun ist es an sich bekannt, daß bei elektronenoptischen Linsen die Größe C0 dividiert durch den sogenannten Arbeitsabstand, d. h. durch den Abstand zwischen der elektronenoptischen Linse und der Ebene der scharfen optischen Abbildung in Abhängigkeit von einer charakteristischen Linsenkenngröße k2 ein Minimum hat. Für die Größe k gilt die BeziehungIt is now known per se that in electron-optical lenses the size C 0 divided by the so-called working distance, ie by the distance between the electron-optical lens and the plane of the sharp optical image as a function of a characteristic lens parameter k 2, has a minimum. The relationship holds for the quantity k
k = c(Ni),k = c (Ni),
wobei c eine vom Verhältnis von Bohrungsdurchmesser und Schlitzbreite der elektronenoptischen Linse abhängige Konstante ist, M die Amperewindungszahl und U die Beschleunigungsspannung der Elektronen.where c is a constant dependent on the ratio of the bore diameter and the slit width of the electron-optical lens, M the number of ampere-turns and U the acceleration voltage of the electrons.
Bei der vorliegenden Aufgabenstellung ist der Arbeitsabstand A durch die weiter vorn dargelegten Gesichtspunkte vorgegeben, und daraus entsteht für die durch die Erfindung vorgeschlagene weitere elektronenoptische Linse die Erkenntnis, daß im Minimalpunkt des genannten Verhältnisses von Öffnungsfehlerkonstante und Arbeitsabstand gearbeitet werden muß, wenn man einen zum Schweißen, Schneiden oder zur Materialbearbeitung geeigneten Brennfleck, d. h. einen Brennfleck erzeugen will, der sowohl klein als auch sehr intensiv ist.In the present task, the working distance A is given by the aspects set out above, and this results in the knowledge for the further electron-optical lens proposed by the invention that it is necessary to work at the minimum point of the above-mentioned ratio of aperture error constant and working distance when one is used for welding , Cutting or suitable focal point for material processing, ie wants to create a focal point that is both small and very intense.
Claims (3)
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»Welding Journal«, August 1960, S. 791 bis 796.Considered publications:
German Auslegeschrift No. 1125 096;
"Welding Journal," August 1960, pp. 791 to 796.
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