DE1271316B - Electron beam high vacuum melting, casting, welding and alloying furnace - Google Patents
Electron beam high vacuum melting, casting, welding and alloying furnaceInfo
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Description
Elektronenstrahl-Hochvakuum-Schmelz-, Gieß-, Schweiß- und Legierungsofen Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahl-Hochvakuum-Schmelz-, Gieß-, Schweiß- und Legierungsofen, bei dem das zu schmelzende bzw. zu behandelnde Material der direkten Einwirkung eines Elektronenstrahles ausgesetzt ist.Electron beam high vacuum melting, casting, welding and alloying furnace The invention relates to an electron beam high vacuum melting, casting, welding and alloy furnace in which the material to be melted or treated is the is exposed to the direct action of an electron beam.
Für das Schmelzen von Metallen sind in der Technik unter anderem Lichtbogenschmelzöfen bekannt. Diese Lichtbogenschmelzöfen benötigen zum Schmelzen der Metalle einen relativ großen Energieaufwand, eine verhältnismäßig komplizierte elektrische Regelung und umfangreiche mechanische Verstell- und Nachstellvorrichtungen für die Lichtbogenelektrode zur Aufrechterhaltung eines günstigen Lichtbogenbetriebes. Sehr nachteilig wirkt sich trotz der vorhandenen komplizierten elektrischen Regelungseinrichtungen und mechanischen Verstellvorrichtungen das Vagabundieren des Brennfleckes aus. Nachteilig ist auch die Verunreinigung der Schmelze durch den ständigen Abbrand der Lichtbogenelektrode. Eine Reinigung des zu erschmelzenden Metalls von fremden Einschlüssen und eine Abdampfung von Gaseinschlüssen in den Einsatzmaterialien sowie die Herstellung von Legierungen aus mehreren gleichzeitig zugeführten Edelmetallen wie auch die Zuführung von Pulvergemischen oder Plättchenmetallen ist nicht möglich. Eine erstrebte Vakuumdestillation bestimmter Metalle in diesen Lichtbogenschmelzöfen ist auf Grund des Freiwerdens der Gaseinschlüsse und der Vergasung des Metalls selbst nicht durchführbar. Daher ist es auch nicht möglich, unmittelbar während oder nach dem Schmelzvorgang einen Hochvakuum-Formguß im Rezipienten durchzuführen. Beabsichtigte Hochvakuum-Schweißungen bestimmter gleichartiger oder verschiedener Metalle sind nur unter Aufwendung äußerst komplizierter Regel- und Verstelleinrichtungen möglich.For the melting of metals, among other things, electric arc melting furnaces are used in technology known. These arc furnaces require a relative to melt the metals large energy consumption, a relatively complex electrical control and extensive mechanical adjustment and readjustment devices for the arc electrode to maintain a favorable arc operation. Has a very detrimental effect despite the existing complicated electrical control devices and mechanical adjustment devices that vagabond the focal point. Disadvantageous is also the contamination of the melt due to the constant burn-off of the arc electrode. A cleaning of the metal to be melted from foreign inclusions and an evaporation of gas inclusions in the input materials as well as the production of alloys from several simultaneously supplied precious metals as well as the supply of powder mixtures or platelet metals is not possible. A desired vacuum distillation of certain Metals in these arc melting furnaces is due to the release of gas inclusions and gasification of the metal itself is not feasible. Hence it is not possible to cast a high vacuum directly during or after the melting process to be carried out in the recipient. Intended high vacuum welds of certain similar ones or different metals are only possible with the application of extremely complicated rules and adjustment devices possible.
Es sind zur Vermeidung der Nachteile der Lichtbogeneinrichtungen bereits Elektronenstrahlvorrichtungen bekanntgeworden, die man vorzugsweise zur Herstellung hochwertiger Schweißverbindungen eingesetzt hat. Der beim Schweißen benötigte Energieaufwand ist jedoch relativ niedrig im Vergleich zu Schmelzaufgaben im industriellen Maßstab, und die Führung des Elektronenstrahles verursachte keine besonderen Schwierigkeiten. Im allgemeinen weisen diese Anlagen mehrere Blenden auf, die dem Elektronenstrahl angepaßt sind, damit die zwischen den Blenden angeordneten Vakuumpumpen ein genügendes Druckgefälle erzeugen können. Die Erzeugung und die Erhaltung des Druckgefälles spielt natürlich eine besondere Rolle, da die im Hauptrezipienten stattfindenden Gasausbrüche bei schlechter Absaugung das Elektronenstrahlerzeugungssystem derart beeinflussen, daß die Elektronenemission stark beeinträchtigt wird, wenn nicht gar zum Erliegen kommt. Elektronenstrahlöfen zum Schmelzen, Legieren und Gießen von Metallen sind zwar ebenfalls schon bekanntgeworden, doch mit ihnen lassen sich wegen der bisher noch nicht überwundenen Schwierigkeiten bei der Führung des Elektronenstrahles bis in den Arbeitsraum, bei der Evakuierung des Elektronenstrahlraumes und der Anordnung des Elektronenstrahlers nur verhältnismäßig geringe Mengen Metall schmelzen, gießen oder legieren.There are already to avoid the disadvantages of the arc devices Electron beam devices have become known, which are preferably used for production high quality welded joints. The amount of energy required for welding however, it is relatively low compared to melting tasks on an industrial scale, and the guidance of the electron beam did not cause any particular trouble. In general, these systems have several diaphragms that the electron beam are adapted so that the vacuum pumps arranged between the diaphragms have a sufficient Can generate pressure gradient. The creation and maintenance of the pressure gradient plays a special role, of course, as those that take place in the main recipient Gas outbreaks with poor suction affect the electron gun in such a way affect that the electron emission is severely impaired, if not at all comes to a standstill. Electron beam furnaces for melting, alloying and casting Metals have also become known, but they can be used because of the hitherto not yet overcome difficulties in guiding the electron beam up to the work area, with the evacuation of the electron beam room and the arrangement of the electron gun only melt and pour relatively small amounts of metal or alloy.
Die bei den bekannten Elektronenstrahlöfen verwendeten Beschleunigungsspannungen betragen meist weniger als 10 kV. Ein industrieller Einsatz dieser Öfen war dadurch mit erheblichem technischem Aufwand verbunden. Versuche, die Leistung dieser Öfen durch die Anordnung mehrerer Elektronenstrahler zu erhöhen, brachten nur eine Vervielfachung der Mängel mit sich.The acceleration voltages used in the known electron beam furnaces are usually less than 10 kV. An industrial use of these ovens was thereby associated with considerable technical effort. Try the performance of these ovens by arranging several electron guns only resulted in a multiplication the shortcomings with it.
Es ist auch ein Ofen zum Schmelzen und Legieren von hochschmelzenden Materialien bekannt, bei dem in einer äußeren evakuierbaren Kammer eine innere Kammer angeordnet ist, in der sich ein Schmelztiegel befindet. An der Stelle der inneren Kammer, an der der Schmelztiegel in diese eintaucht, bleibt ein kreisringförmiger Spalt, durch den die beiden Kammern vakuummäßig gekoppelt sind. Gleichzeitig mündet in die innere Kammer, in der sich auch eine ringförmige, direkt geheizte Katode befindet, eine Gasleitung, die eine definierte Menge eines bestimmten Gases zuführt. Die von der Katode ausgehenden Elektronen treffen auf die Tiegelwandung und heizen diese auf. Ein Teil der Elektronen ionisiert das Gas, so daß eine Glimmentladung entsteht, die ebenfalls zur Aufheizung des Tiegels und des darin befindlichen Materials dient. Diese Einrichtung hat den Nachteil, daß nur Tiegelschmelzen ausgeführt werden und infolge des Heizprozesses Reaktionen mit dem Tiegehnaterial auftreten können.It is also a furnace for melting and alloying refractory Materials known in which an inner chamber in an outer evacuable chamber is arranged, in which a crucible is located. In the place of the inner The chamber at which the crucible dips into it remains a circular ring Gap through which the two chambers are coupled in terms of vacuum. At the same time flows out into the inner chamber, in which there is also an annular, directly heated cathode is located, a gas line that supplies a defined amount of a certain gas. The electrons emanating from the cathode hit the crucible wall and heat this on. Some of the electrons ionize the gas, causing a glow discharge arises, which is also used to heat the crucible and the material in it serves. This device has the disadvantage that only crucible melts and reactions with the deep material as a result of the heating process may occur.
Die Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern ist sehr gering und kann nur ganz kurze Zeit (< 1 Sekunde) aufrechterhalten werden, da diese durch die Strömungsverhältnisse bestimmt wird und nur eine Absaugleitung an der äußeren Kammer angeordnet ist. Die Lebensdauer der Katode ist nicht sehr hoch, da sie durch die Glimmentladungen stark belastet ist. Weiterhin sind Einrichtungen zum Verdampfen im Vakuum bekannt, bei denen die zum Verdampfen erforderliche Energie durch einen Elektronenstrahl geliefert wird, der auf das zu schmelzende bzw. zu verdampfende Material konzentriert ist. Dabei wird der Elektronenstrahl mittels magnetischer Linsen fokussiert und durch Lochblenden, die einzelne, getrennt evakuierbare Kammern abgrenzen, von der Strahlerzeugungskammer zum Arbeitsraum 01 führt. Es ist auch vorgesehen, den Brennpunkt des Elektronenstrahles durch statische Ablenkmittel auf dem Schmelzgut oder dem Schmelztiegel zu verschieben. Das Schmelzgut wird von einer Rolle in Drahtform seitlich über dem Schmelztiegel in den Elektronenstrahl geführt.The pressure difference between the two chambers is very small and can only be maintained for a very short time (<1 second), as this is determined by the flow conditions and only one suction line is arranged on the outer chamber. The service life of the cathode is not very long because it is heavily stressed by the glow discharges. Furthermore, devices for evaporation in a vacuum are known in which the energy required for evaporation is supplied by an electron beam which is concentrated on the material to be melted or evaporated. The electron beam is focused by means of magnetic lenses and guided from the beam generating chamber to the working space 01 through perforated diaphragms that delimit individual chambers that can be evacuated separately. Provision is also made for the focus of the electron beam to be shifted by static deflection means on the material to be melted or the crucible. The melting material is fed into the electron beam from a roll in the form of a wire laterally above the melting crucible.
Solche Einrichtungen und die ihnen zugrunde liegenden Verfahrensschritte haben jedoch den Nachteil, daß sie nur für kleine Leistungen, wie sie in der Halbleitertechnik Verwendung finden, geeignet sind. Eine proportionale Vergrößerung für industrielle Schmelzaufgaben, bei denen Schmelzblöcke bis zu 12 t und mehr hergestellt werden sollen, ist nicht möglich. Auch zum Schweißen von Blechen mit mehreren Millimetern Dicke werden große Leistungen notwendig.Such facilities and the procedural steps on which they are based however, they have the disadvantage that they are only used for small powers, as in semiconductor technology Find use, are suitable. A proportional magnification for industrial use Melting tasks in which melt ingots up to 12 t and more are produced is not possible. Also for welding sheets of several millimeters Thick, great achievements are necessary.
Die Erfindung hat den Zweck, einen Elektronenstrahl-Hochvakuum-Schmelz-, Gieß-, Schweiß- und Legierungsofen und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Ofens zu schaffen, mit dem im industriellen Maßstab mit hoher Leistung Schmelz-, Gieß-, Schweiß- und Legierungsaufgaben durchgeführt werden können, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Vereinigung vakuumtechnischer und elektronenoptischer Maßnahmen zwischen der Elektronenstrahlerzeugungskammer und dem Arbeitsraum ein mehrstufiges Druckgefälle zu erzeugen und einen Elektronenstrahl mit Beschleunigungsspannungen über 10 kV und einer Leistung bis zu einigen hun- ; dert Kilowatt zu erzeugen und in den Arbeitsraum hineinzulenken und zu fokussieren, der direkt auf die zu bearbeitenden Materialien trifft.The invention has the purpose of an electron beam high vacuum melting, Casting, welding and alloying furnace and a method for operating such To create furnace with which on an industrial scale with high performance melting, Casting, welding and alloying tasks can be performed according to the invention is based on the task by combining vacuum technology and electron optical technology Measures between the electron beam generating chamber and the work space to generate a multi-level pressure gradient and an electron beam with accelerating voltages over 10 kV and an output of up to a few hundred; changes to generate kilowatts and to steer and focus directly on the work area to be processed Materials.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß in der Elektronenstrahlerzeugungskammer eine von einem Wolframheizer- durch Elektronenbombardement geheizte Massivkatode auf Wolfram oder Tontal mit einer Emissionsfläche von einem oder mehreren Quadratzentimetern und einem entsprechend der Beschleunigungsspannung kleinstmöglichen Absaugabstand zur Anode angeordnet ist. Im weiteren Verlauf des Elektronenstrahles zum Arbeitsrauen sind magnetische Linsen mit variabler Brechkraft, Druckstufenkammern und zwischen diesen Strömungswiderstände angeordnet. Auch innerhalb der magnetischen Linsen sind Strömungswiderstände vorgesehen. In diesen Strömungswiderständen sind dem jeweiligen Durchmesser des Elektronenstrahles angepaßte, an sich bekannte Druckstufenblenden angeordnet.The object is achieved in that, according to the invention, in the electron beam generating chamber a massive cathode heated by a tungsten heater by electron bombardment on tungsten or tonal with an emission area of one or more square centimeters and the smallest possible extraction distance corresponding to the acceleration voltage is arranged to the anode. In the further course of the electron beam to the rough work are magnetic lenses with variable refractive power, compression chambers and between arranged these flow resistances. Also inside the magnetic lenses are Flow resistances provided. These flow resistances are the respective Pressure stage diaphragms which are known per se and adapted to the diameter of the electron beam arranged.
Die magnetischen Linsen sind zweckmäßigerweise gekapselt und wassergekühlt. Zwischen ihnen kann ein Ventil vorgesehen sein, mit dem, die vakuumtechnische Trennung der Elektronenstxahlerzeugungskammer vom Arbeitsraum möglich ist, wenn dieser belüftet wird.The magnetic lenses are expediently encapsulated and water-cooled. A valve can be provided between them with which the vacuum-technical separation the electron beam generating chamber is possible from the working area if it is ventilated will.
Die durch Elektronenbombardement geheizte Massivkatode hat eine Emissionsfläche mit der Form einer Kugelkalotte. Die Emissionsfläche ist wenigstens einen, vorzugsweise jedoch mehrere Quadratzentimeter groß. Zum Betreiben eines solchen Elektronenstrahl-Hochvakuum-Schmelz-, Gieß-, Schweiß-und Legierungsofens sind erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte notwendig.The massive cathode heated by electron bombardment has an emission surface with the shape of a spherical cap. The emission area is at least one, preferably but several square centimeters in size. To operate such an electron beam high vacuum melting, Casting, welding and alloying furnaces are, according to the invention, the following process steps necessary.
Bei hinreichend kleinem Brennfieckdurchmesser des Elektronenstrahles wird das Schmelzgut als Block über einem Schmelztiegel oder einer Gießform als Ganzes bis dicht unterhalb des Schmelzpunktes erhitzt und danach an einer Stelle so lange weiter erhitzt, bis auch die Untersexte des Blockes schmilzt und die Schmelze in die darunter befindliche Gießform abfließt. Sollte es für bestimmte Aufgaben zweckmäßig sein, so wird der Elektronenstrahl bzw. bei Verwendung mehrerer Elektronenstrahlerzeugungssysteme jeder einzelne Elektronenstrahl in seiner Leistung zeitlich geregelt, vorzugsweise im Impulsbetrieb, betrieben.If the focal point diameter of the electron beam is sufficiently small the melt is as a block over a crucible or a casting mold as a whole Heated to just below the melting point and then for so long in one place continue to heat until the subtexts of the block melts and the melt is in the mold below flows off. It should be useful for certain tasks be, so will the electron beam or when using several electron gun each individual electron beam is time-regulated in its power, preferably operated in pulse mode.
Um Fokussierungsschwierigkeiten zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die Emissionsstromdichte der Massivkatode mittels an sich bekannter Regeleinrichtungen in Abhängigkeit des im Arbeitsraum herrschenden Druckes zu regeln. Zur besseren Anpassung des Elektronenstrahles an die jeweils durchzuführende Aufgabe ist es zweckmäßig, ihm vor Eintritt in den Arbeitsraum mittels magnetischer oder elektrischer Felder abzulenken.To avoid focusing difficulties, it is beneficial to the emission current density of the solid cathode by means of known control devices to be regulated depending on the pressure prevailing in the work area. For better Adaptation of the electron beam to the task to be carried out, it is advisable to before entering the work area by means of magnetic or electric fields distract.
Zweckmäßigerweise sind an dem Arbeitsraum für besondere Gieß-, Schweiß- und Legierungsaufgaben mehrere an sich bekannte Anschlußflansche zum Ansetzen von weiteren Elektronenstrahlerzeugungssystemen unter verschiedenen Einfallswinkeln zum Schmelztiegel bzw, zu dem zu bearbeitenden Material angeordnet.Appropriately, in the work area for special casting, welding and alloying tasks several known connection flanges for attaching further electron guns at different angles of incidence to the crucible or to the material to be processed.
Zur Vermeidung von Beschädigungen oder Havarien der Einrichtung sind an den, Stellen im Arbeitsraum,, an denen der Elektronenstrahl auftreffen würde, wenn kein Schmelztiegel oder kein anderes Werkstück vorhanden wäre, wassergekühlte Abschirmungen angeordnet, Der technische Fortschritt der Erfindung ist darin zu sehen, daß es möglich wird, mittels Elektronenstrahlen im industriellen Großeinsatz zu schmelzen, zu schweißen, zu gießen und zu legieren, indem die zu bearbeitenden Materialien und Werkstücke direkt dem Elektronenstrahl ausgesetzt sind. Es ist durch die vakuumtechnischen Maßnahmen. möglich, das Vakuum im Elektronenstrahlerzeugungsraum auf 10^4 Torr zu halten, während der Druck im Arbeitsraum wesentlich höher sein kann, ohne daß Rückwirkungen auf den Elektronenstrahl und seine Fokussierung zu beobachten sind.To avoid damage or accidents to the facility at the, places in the work area, where the electron beam would strike, if there was no crucible or no other workpiece, water-cooled Shields arranged, the technical progress of the invention is therein too see that it becomes possible by means of electron beams in large-scale industrial use to melt, weld, cast and alloy using the machined Materials and workpieces are directly exposed to the electron beam. It's through the vacuum-technical measures. possible, the vacuum in the electron gun to keep at 10 ^ 4 Torr, while the pressure in the working space can be much higher can without repercussions on the electron beam and its focusing are watching.
Mit der Erfindung sind Werkstoffe mit Eigenschaften herstellbar, die mit den bekannten Herstellungsverfahren und Einrichtungen schwer oder garnicht zu erreichen sind. Es können reaktive und hochschmelzende Metalle hergestellt werden, die praktisch nur unter Schutzgas oder, wie es noch viel besser ist, im Vakuum herstellbar sind. Solche Werkstoffe werden in der Flugzeug- und Raketentechnik, in der Kernreaktor- und Elektrotechnik sowie im Maschinen- und Werkzeugbau verwendet.With the invention, materials can be produced with properties that difficult or impossible to do with the known manufacturing processes and facilities are to be achieved. Reactive and refractory metals can be produced, the practical only under protective gas or how it is much better can be produced in a vacuum. Such materials are used in aircraft and rocket technology, Used in nuclear reactor and electrical engineering as well as in machine and tool construction.
Durch entsprechend langes Flüssighalten des Materials, z. B. beim Schmelzen (in zeitlich weiten Grenzen durch die Steuerung des Elektronenstrahles), kann der Entgasungsprozeß beliebig beeinflußt werden.By keeping the material liquid for a correspondingly long time, e.g. B. at Melting (within wide time limits by controlling the electron beam), the degassing process can be influenced as desired.
An Hand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung soll der Gegenstand der Erfindung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt einen prinzipiellen Schnitt durch eine Einrichtung gemäß der Erfindung für schmelztechnische Aufgaben mit einem wassergekühlten Schmelztiegel zur Herstellung von Schmelzblöcken mit mehreren Tonnen Gewicht, die durch Absenken des Bodens aus dem Schmelztiegel erzeugt werden.Using an exemplary embodiment and the drawing, the object the invention will be explained in more detail. The drawing shows a basic section by a device according to the invention for melting tasks with a water-cooled crucible for the production of melt ingots with several tons Weight generated by lowering the bottom of the crucible.
Das Verfahren wird mit einer Einrichtung, dem Elektronenstrahl-Hochvakuum-Schmelz-, Gieß-, Schweiß- und Legierungsofen realisiert, die sich in die Hauptbestandteile Elektronenstrahlerzeugungssystem und Arbeitsraum aufgliedert.The process is carried out with a device, the electron beam high vacuum melting, Casting, welding and alloying furnace realized, which are divided into the main components Electron gun and working area.
Der Arbeitsraum 1 stellt einen großen Rezipienten dar, in dem die genannten Prozesse (Schmelzen, Schweißen, Legieren, Gießen) stattfinden. Der Arbeitsraum 1 ist von einer Doppelwandung 2 umgeben, deren Zwischenraum mit Wasser 3 durchflossen wird. Diese Maßnahme garantiert eine gute Kühlung. In der Doppelwandung 2 des Arbeitsraumes 1 sind zweckmäßigerweise mehrere Anschlußflansche 6 an örtlich unterschiedlichen Stellen vorgesehen, an die das bzw. die Elektronenstrahlsysteme wahlweise zur Änderung der Einfallsrichtung des Elektronenstrahles angesetzt werden können oder die für die Aufnahme nicht dargestellter Regel- und Zuführungseinrichtungen vorgesehen sind bzw. für die Zuführung der zu behandelnden Materialien. Es sind auch Anschlußflansche 6 für Beobachtungs- und Kontrollfenster vorzusehen.The workspace 1 represents a large recipient in which the processes (melting, welding, alloying, casting) take place. The work space 1 is surrounded by a double wall 2 through which water 3 flows will. This measure guarantees good cooling. In the double wall 2 of the work area 1 are expediently several connecting flanges 6 at locally different Provided places to which the electron beam system or systems can optionally be changed the direction of incidence of the electron beam can be set or the for the inclusion of control and supply devices, not shown, are provided or for the supply of the materials to be treated. There are also connection flanges 6 to be provided for observation and control windows.
Es ist im Bedarfsfall auch möglich, mehrere Elektronenstrahlerzeugungssysteme derart anzuordnen, daß sich die Elektronenstrahlen 4 zwar kreuzen, ihre Brennpunkte 5 jedoch eine gemeinsame Lage im Arbeitsraum 1 haben. Auch können mehrere vorhandene Elektronenstrahlerzeugungssysteme gesonderte Elektronenstrahlrichtungen mit räumlich getrennten Brennpunkten 5 haben. Durch einen Anschlußflansch 6 und eine Zuführungsvorrichtung wird das Schmelzmaterial ? bzw. die Werkstücke zugeführt.If necessary, it is also possible to use several electron gun to be arranged in such a way that the electron beams 4 cross their focal points 5, however, have a common location in workspace 1. Multiple existing Electron guns with separate electron beam directions with spatial have separate focal points 5. By a connecting flange 6 and a feed device will the melting material? or the workpieces are supplied.
Das Elektronenstrahlerzeugungssystem ist wie folgt aufgebaut: In einer getrennt evakuierbaren Elektronenstrahlerzeugungskammer 8 wird der Elektronenstrahl 4 von einer Massivkatode 9 erzeugt. Die Massivkatode 9 ist durch Elektronenbombardement geheizt. Die dazu erforderlichen Elektronen werden von einem direkt geheizten Wolframheizer 10 geliefert. Die Massivkatode 9 besteht aus einer Wolfram-oder Tantalscheibe mit einer Emissionsfläche von der Form einer Kugelkalotte. An diese Form der Emissionsfläche ist in üblicher Weise die Form einer Fokussierungselektrode 11 und einer Anode 12 angepaßt, die sich an die Massivkatode 9 in Elektronenstrahlrichtung anschließen. Die Emissionsfläche der Massivkatode 9 beträgt mindestens 1 cm=. Besonders zweckmäßig ist die Einhaltung eines kleinstmöglichen Absaugabstandes zur Anode 12 in Abhängigkeit von der Beschleunigungsspannung. Unmittelbar an die Anode 12 schließt sich die erste magnetische Linse 13 mit variabler Brechkraft an. Im Inneren der magnetischen Linse 13 ist ein Strömungswiderstand 14 mit Druckstufenblenden 15 angeordnet. Der dem durchtretenden Elektronenstrahl 4 zur Verfügung stehende Durchmesser in den Druckstufenblenden 15 ist dem an dieser Stelle vorherrschenden Durchmesser des Elektronenstrahles 4 angepaßt. An diese erste magnetische Linse 13 schließen sich zwei Druckstufenkammern 16, 17 an, die ebenfalls durch einen Strömungswiderstand 18 mit Druckstufenblenden 15 getrennt sind. Die Druckstufenkammern 16, 17 sind jeweils an getrennte Vakuumpumpen angeschlossen. An die Druckstufenkammern 16, 17 schließt sich unter Zwischenschaltung eines Ventils 19 zum vakuummäßigen Abtrennen des Arbeitsraumes 1 von der Elektronenstrahlerzeugungskammer 8, wenn diese belüftet wird, eine weitere magnetische Linse 13 an. Mit der weiteren magnetischen Linse 13 sind in baulicher Einheit die magnetischen Ablenksysteme20 für die Ablenkung des Elektronenstrahles 4 im Arbeitsraum 1 vorgesehen.The electron beam generation system is constructed as follows: The electron beam 4 is generated by a solid cathode 9 in a separately evacuable electron beam generation chamber 8. The solid cathode 9 is heated by electron bombardment. The electrons required for this are supplied by a directly heated tungsten heater 10. The solid cathode 9 consists of a tungsten or tantalum disk with an emission surface in the shape of a spherical cap. The shape of a focusing electrode 11 and an anode 12, which adjoin the solid cathode 9 in the electron beam direction, are adapted in the usual way to this shape of the emission surface. The emission area of the solid cathode 9 is at least 1 cm =. It is particularly useful to maintain the smallest possible suction distance from the anode 12 as a function of the acceleration voltage. The first magnetic lens 13 with variable refractive power connects directly to the anode 12. A flow resistance 14 with pressure stage apertures 15 is arranged in the interior of the magnetic lens 13. The diameter in the pressure stage diaphragms 15 available to the electron beam 4 passing through is adapted to the diameter of the electron beam 4 prevailing at this point. This first magnetic lens 13 is adjoined by two pressure stage chambers 16, 17, which are also separated by a flow resistance 18 with pressure stage apertures 15. The compression chambers 16, 17 are each connected to separate vacuum pumps. A further magnetic lens 13 adjoins the pressure stage chambers 16, 17 with the interposition of a valve 19 for the vacuum-wise separation of the working space 1 from the electron beam generating chamber 8 when the latter is ventilated. The magnetic deflection systems 20 for deflecting the electron beam 4 in the working space 1 are provided in a structural unit with the further magnetic lens 13.
In beiden Teilen, der zweiten magnetischen Linse 13 und den Ablenksystemen 20, ist ein gemeinsamer Strömungswiderstand 21 mit Druckstufenblenden 15 vorgesehen.In both parts, the second magnetic lens 13 and the deflection systems 20, a common flow resistance 21 with pressure stage orifices 15 is provided.
Die Führung des Elektronenstrahles 4 durch die Strömungswiderstände 14, 18, 21 erfolgt also mit Hilfe magnetischer Felder, deren Vektor mit der Achse der Strömungswiderstände 14, 18, 21 zusammenfällt. Zur Kontrolle des Elektronenstrahlverlaufes ist ein Betrachtungsfenster 22 in der Wandung des Elektronenstrahlerzeugungssystems angeordnet. Die Absaugung des stromstarken Elektronenstrahles 4 erfolgt mit so hoher Beschleunigungsspannung, aus derart kleinem Absaugabstand, daß die raumladungsbegrenzte Absaugstromdichte gleich oder größer ist als die hohe Emissionsstromdichte der Massivkatode 9. Zweckmäßigerweise wird die Elektronenstrahlenergie zeitlich nicht konstant gehalten, sondern nach einem der Aufgabe angepaßten Programm geregelt, beispielsweise durch Betrieb mit Impulsen, der jeweils durchzuführenden Aufgabe angepaßter Länge und Variation. Zur Verhinderung kritischer Drucksteigerungen im Arbeitsraum 1, hervorgerufen durch eventuelle Gasausbrüche im erhitzten Metall bzw. in der Schmelze, durch die die Emissionsstromdichte der Massivkatode 9 des Elektronenstrahlerzeugungssystems vorübergehend beeinträchigt bzw. reduziert werden kann, sind gegebenenfalls spezielle Regeleinrichtungen vorgesehen.The guidance of the electron beam 4 through the flow resistances 14, 18, 21 is done with the help of magnetic fields, their vector with the axis the flow resistances 14, 18, 21 coincide. To control the electron beam path is a viewing window 22 in the wall of the electron gun arranged. The suction of the high-current electron beam 4 takes place at such a high level Accelerating voltage from such a small suction distance that the space charge is limited Suction current density is equal to or greater than the high emission current density of the solid cathode 9. The electron beam energy is expediently not kept constant over time, but regulated according to a program adapted to the task, for example by Operation with pulses, length and length adapted to the task to be performed Variation. To prevent critical increases in pressure in the work area 1, caused through possible gas outbreaks in the heated metal or in the melt, through which the emission current density of the solid cathode 9 of the electron gun temporarily impaired or reduced, may be special Control facilities provided.
Auf Grund dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es möglich, daß der Elektronenstrahl 4 das in den Arbeitsraum 1 in Form von Stangen, Drähten, Plättchen oder Pulver hineingeführte Schmelzmaterial ? schmilzt, das heruntertropfende Material weiter erhitzt und damit entgast und das in einem wassergekühlten Schmelztiegel 23 aufgefangene Material weiterhin flüssig erhält. Die Beschickung mitSchmelzmaterial ? kann mit nach einer gewünschten Legierungszusammensetzung abgewogenen Menge pro Zeiteinheit, beispielsweise durch bereits gut durchgemischte Mehrkomponentenpulver derart vorgenommen werden, so daß sehr homogene Vakuumschmelzen erzielt werden und die Einrichtung auch für die Reinigung von Metallen durch Vakuumdestillation herangezogen werden kann und daß unmittelbar nach dem Schmelzen der Metalle ein Hochvakuum-Formguß im Arbeitsraum l stattfinden kann. Hierfür wird unter hinreichender Kleinhaltung des Brennpunktes 5 das Schmelzmaterial 7 in einem größeren, passend geformten Metallblock geschmolzen, wodurch keine Tiegelreaktionen möglich sind und der gesamte Metallblock als Ganzes durch die Elektronenstrahlenergie bis dicht unter den Schmelzpunkt des Materials allmählich erwärmt. Gegen Ende des Erhitzungsprozesses wird schließlich der flüssige Bereich der Metallschmelze auch die untere Fläche des Metallblockes derart erhitzen, daß das Material in eine darunter angeordnete Gießform einströmen kann.On the basis of this embodiment according to the invention, it is possible that the electron beam 4 enters the working space 1 in the form of rods, wires, Melting material introduced into platelets or powder? melts, the dripping down Material is further heated and thus degassed in a water-cooled crucible 23 retained material remains liquid. The charging with melt material ? can be weighed out according to a desired alloy composition per amount Unit of time, for example through well-mixed multi-component powder be made so that very homogeneous vacuum melting can be achieved and the facility also for the cleaning of metals by vacuum distillation can be used and that immediately after melting the metals a High vacuum molding can take place in the working space l. For this, under is sufficient Keeping the focal point 5 small, the melting material 7 in a larger, suitable formed metal block melted, as a result of which no crucible reactions are possible and the entire metal block as a whole by the electron beam energy until just below the melting point of the material gradually warmed. Towards the end of the heating process Finally, the liquid area of the molten metal also becomes the lower surface of the metal block in such a way that the material is placed in an underneath Casting mold can flow in.
Zur Erhöhung der Sicherheit des Betriebes des Elektronenstrahl-Hochvakuumofens werden auf der gegenüberliegenden Seite des Elektronenstrahlerzeugungssystems z. B. wassergekühlte Abschirmungen im Arbeitsraum 1 vorgesehen, die auch bei Fehlbedienung ein Durchschmelzen der Wandung 2 und damit ein Eindringen von Kühlwasser 3 in den Arbeitsraum 1 unmöglich macht. Zum Schmelzen von Strängen 24 besitzt der Schmelztiegel 23 eine absenkbare Abzugsvorrichtung 25.To increase the safety of the operation of the electron beam high vacuum furnace are on the opposite side of the electron gun z. B. water-cooled shields are provided in the workspace 1, which can also be used in the event of incorrect operation a melting of the wall 2 and thus a penetration of cooling water 3 into the Makes workspace 1 impossible. The crucible is used to melt strands 24 23 a lowerable trigger device 25.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19591271316 DE1271316B (en) | 1959-07-04 | 1959-07-04 | Electron beam high vacuum melting, casting, welding and alloying furnace |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE19591271316 DE1271316B (en) | 1959-07-04 | 1959-07-04 | Electron beam high vacuum melting, casting, welding and alloying furnace |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1271316B true DE1271316B (en) | 1968-06-27 |
Family
ID=5661354
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19591271316 Pending DE1271316B (en) | 1959-07-04 | 1959-07-04 | Electron beam high vacuum melting, casting, welding and alloying furnace |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE1271316B (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE764927C (en) * | 1939-02-22 | 1951-08-06 | Bosch Gmbh Robert | Process for evaporation in a vacuum |
| DE887077C (en) * | 1951-09-09 | 1953-08-20 | Licentia Gmbh | Device for shaping processing and for melting semiconductor materials |
| AT200803B (en) * | 1956-07-27 | 1958-11-25 | Temescal Metallurgical Corp | Device for melting and degassing materials under vacuum at high temperatures |
-
1959
- 1959-07-04 DE DE19591271316 patent/DE1271316B/en active Pending
Patent Citations (3)
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