DE1299202B

DE1299202B - Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstoffen mit einem Ladungstraegerstrahl

Info

Publication number: DE1299202B
Application number: DEU10373A
Authority: DE
Inventors: Peracchio Aldo Anthony
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1962-12-31
Filing date: 1963-12-27
Publication date: 1969-07-10
Also published as: GB1072119A; US3162749A; CH428020A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstoffen mit einem Ladungsträgerstrahl, bei der sich der Werkstoff in einem Bearbeitungsraum mit einem dem Atmosphärendruck vergleichbaren Druck befindet, zwischen. der evakuierten Ladungsträgerquelle und dem Bearbeitungsraum eine Druckstufenstrecke angeordnet ist und der Ladungsträgerstrahl durch hintereinander in den Trennwänden der Druckstufen vorgesehene öffnungen auf den Werkstoff trifft.
Zum Schweißen, Brennschneiden und ähnlichen mit einem lokalen Erhitzen von Werkstoffen einhergehenden Bearbeitungsvorgängen werden oft Ladungsträgerstrahlen, insbesondere Elektronenstrahlen herangezogen, weil diese in einem sehr scharf begrenzten Strahl eine sehr hohe Energiedichte aufweisen, und damit Bearbeitungsvorgänge durchzuführen gestatten, bei denen eine besonders hohe Energiekonzentration in kleinen Bereichen erforderlich ist.
Bei der Verwendung von Strahlen frei fliegender Elektronen treten zwei Probleme auf. Die Ladungsträgerquelle, bei Elektronen meist eine Glühkathode, muß sorgfältig gegen die Atmosphäre, insbesondere den darin enthaltenen Sauerstoff abgeschirmt werden, weil bei den hohen Temperaturen eine augenblickliche Oxydation und Zerstörung der Emissionsfläche eintreten würden. Auch erfolgt bei einem frei durch die Atmosphäre hindurchtretenden Elektronenstrahl eine Streuung der Elektronen an den Gasatomen oder -molekülen, die der Energiedichte des Strahls abträglich ist.
Im allgemeinen werden daher Elektronenstrahlanordnungen im Vakuum betrieben. Für eine Bearbeitungsvorrichtung bedeutet das eine erhebliche Erschwerung, weil der Möglichkeit, Werkstücke in Vakuumkammern unterzubringen und darin gegen den Elektronenstrahl zubewegen, Grenzen gesetzt sind.
Das Bestreben geht dahin, offene Anordnungen zu entwickeln, bei denen das Werkstück in der Atmosphäre verbleiben kann und bei denen der Ladungsträgerstrahl aus der Erzeugungs- und Beschleunigungsvorrichtung austritt und frei auf das Werkstück trifft. Auch hierbei muß die Elektronenquelle durch Evakuierung ihrer unmittelbaren Umgebung vor einer Oxydation geschützt sowie dafür Sorge getragen werden, daß ein möglichst großer Teil des Weges zwischen Elektronenquelle und Werkstück zur Verringerung der Streuung in einem evakuierten Bereich zurückgelegt wird.
Zu diesem Zweck ist es üblich, der Mündung der Erzeugungs- und Beschleunigungsvorrichtung, aus der die Elektronen gegen das Werkstück bzw. den Bereich hohen Drucks austreten, eine Druckstufenstrecke vorzuschalten, die aus mehreren evakuierten Kammern mit in Richtung des Elektronenstrahls hintereinandergelegenen, miteinander fluchtenden Blendenöffnungen besteht, durch die der Elektronenstrahl hindurchtritt. Da die Atmosphäre nur durch die kleine Blendenöffnung entgegen der Strahlrichtung in die einzelnen laufend evakuierten Kammern der Druckstufenstrecke gelangen kann, ergibt sich in den Kammern gegen die Elektronenquelle hin eine Druckminderung, die den Betrieb der Elektronenquelle gestattet, obwohl die Anordnung gegen die i Atmosphäre offen ist. Allerdings erfordert eine solche Anordnung einen erheblichen Pumpaufwand für die laufende Evakuierung der einzelnen Druckstufen. Zur Verbesserung der Wirksamkeit einer Druckstufenstrecke ist es bekannt, die gestaffelten Blendenöffnungen in die Druckminima der sich in dem entgegen dem Elektronenstrahl eintretenden Gasstrahl ausbildenden Druckwellen zu legen. Auf diese Weise wird die von einer Druckstufe in die nächst niedrigere übertretende Gasmenge verringert.
Aufgabe der Erfindung ist es, in einer Druckstufenstrecke unter Ausnutzung der Strömungseigenschaften des eintretenden Gases und geeigneter Formgestaltung der Blenden den Druckabfall des eintretenden Gasstrahls zu verbessern. Nach der Erfindung weist die Austrittsöffnung der dem Bearbeitungsraum benachbarten Druckstufe in Richtung des Ladungsträgerstrahls sich ausdehnende seitliche Begrenzungsflächen und die Öffnung der benachbarten Trennwand zur nächsten Druckstufe einen in Richtung der Austrittsöffnung in den von den Begrenzungsflächen umschlossenen Raumbereich hineinragenden Ansatz auf und sind die Begrenzungsfächen sowie die Außenflächen des Ansatzes so geformt, daß sie zwischen sich einen Durchlaß veränderlichen Querschnitts bilden und bezüglich der durch die Austrittsöffnung eintretenden Gasströmung nach Art einer 'L7berschalldüse zusammenwirken. Dabei liegt die Mündung des Ansatzes in an sich bekannter Weise in einem Druckminimum des sich bildenden Druckwellenfeldes.
Durch die vorstehend gekennzeichneten Maßnahmen wird in den durch die Austrittsöffnung des Elektronenstrahls eintretenden Gasstrahl und insbesondere in dem von der Blendenöffnung hinweg seitlich abgesaugten Anteil ein Stoßwellenfeld ausgebildet, bei dem die räumliche Druckverteilung die Pumpwirkung der Druckstufen unterstützt. Durch zweckmäßige Ausführung des Ansatzes und der Begrenzungsfläche ist es möglich, die Bemessung der Pumpen für die Druckstufen zu verringern.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
F i g. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Elektronenstrahlvorrichtung, an der die Erfindung verwirklicht ist; F i g. 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus F i g. 1. F i g. 1 stellt eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstoffen mit einem Elektronenstrahl dar, die eine Elektronenstrahlquelle 10 zur Erzeugung von Elektronen sehr hoher Energie aufweist. Das Innere der Elektronenstrahlquelle 10 ist evakuiert. Das darin erzeugte Strahlenbündel 12 geht durch einen Blendenkana114, der sich im Inneren einer Fokussierungseinrichtung 16 befindet, die das Strahlenbündel 12 auf das Werkstück 30 einstellt, welches sich in einem gewünschten Abstand unter der Fokussierungseinrichtung 16 befindet. Nach dem Austreten aus dem Blendenkanal14 geht das Strahlenbündel 12 durch eine Kammer 18, welche die zweite Stufe einer dreistufigen Druckstufenstrecke bildet. Die Kammer 18 wird durch die Pumpe 20 evakuiert. Das Strahlenbündel 12 gelangt aus der Kammer 18 in die Kammer 24 durch einen Ansatz 22 in der Trennwand der beiden Kammern. Die Kammer 24 wird durch die Pumpe 26 evakuiert. Das Strahlenbündel 12 tritt aus der Kammer 24 durch die Austrittsöffnung 28 in den Bearbeitungsraum aus, in dem das Werkstück 30 auf einem beweglichen Tisch 32 angeordnet und gegenüber der Strahlenachse verschiebbar ist. Der Abstand zwischen der Öffnung 28 und dem Werkstück 30 muß so klein wie möglich gehalten werden, um die Schwächung des Elektronenstrahls durch Streuung an den Atomen und Molekülen der Atmosphäre zu verringern.
Infolge des großen Druckabfalls durch die Öffnung 28 ist die umgebende Atmosphäre bestrebt, nach oben in die Elektronenstrahlvorrichtung zu strömen. Bei dem innenseitig herrschenden geringen Druck nimmt die Strömung Überschallgeschwindigkeit an und verhält sich wie ein frei in eine große Kammer eintretender Strahl. Es stellt sich eine bestimmte räumliche Druckverteilung mit Stoßwellen und Expansionswellen ein. Das Druckwellenfeld weist eine Reihe von Druckminima auf. Die Mündung 52 des Ansatzes 22 ist in ein solches Druckminimum gelegt. Dadurch wird die in die Kammer 18 übertretende Gasmenge verringert.
Die Kammer 24 ist von dem Bearbeitungsraum durch die Trennwand 34 abgeteilt, die die Öffnung 28 enthält. Die Begrenzungsfläche 44 der Öffnung 28 weist eine Ausdehung in Richtung des Gasstrahls auf und umschließt einen Raumbereich, in den der Ansatz 22 teilweise hineinragt. Die Außenfläche des Ansatzes 22 bildet mit der Begrenzungsfläche 44 einen sich im Querschnitt vergrößernden Durchlaß 48. Bei richtiger Ausbildung des Durchlasses 48, wie es in F i g. 1 und 2 gezeigt ist, und richtiger Einstellung des statischen Druckes in der Kammer 24 tritt eine Strömung durch den Durchlaß 48 und in dieser Strömung zwischen dem Ansatz 22 und der Begrenzungsfläche 44 stromabwärts der Mündung 52 des Ansatzes 22 ein zur Strömungsrichtung senkrechter Verdichtungsstoß 50 auf. Längs dieses Verdichtungsstoßes 50 fällt die Geschwindigkeit der durch den Durchlaß 48 hindurchtretenden Strömung von überschall- auf Unterschallgeschwindigkeit ab, so daß der statische Druck in der Kammer 24 ansteigt, während vor der Mündung 52 des Ansatzes 22 ein sehr geringer statischer Druck herrscht. Bei einem gegebenen statischen Druck in der Kammer 24 ist also der statische Druck vor der Mündung 52 des Ansatzes 22 viel geringer als bei einer Anordnung mit unbeeinflußt übertretendem Gasstrahl. Dies ist eine Folge der durch die Formgebung der Begrenzungsfläche 44 erzielten Expansion bzw. Ablenkung der durch den Durchlaß 48 hindurchtretenden Gasströmung. Diese Expansion bzw. Ablenkung ist gegenüber dem Zustand, in dem das Gas sich in freiem Strahl ausdehnen kann und bei dem an der Oberfläche des Strahls der statische Druck der Kammer 24 herrschen würde, vergrößert. Der verringerte statische Druck vor der Mündung 52 verringert die in die Kammer 18 übertretende Gasmenge und ermöglicht eine Verringerung der Bemessung der Pumpe 20 oder, wenn diese beibehalten werden soll, der Pumpe 26, weil der Druckabfall längs des Verdichtungsstoßes 50 der ersten Druckstufe eine selbsttätige Pumpwirkung verleiht.

Claims

Patentanspruch: Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstoffen mit einem Ladungsträgerstrahl, bei der sich der Werkstoff in einem Bearbeitungsraum mit einem dem Atmosphärendruck vergleichbaren Druck befindet, zwischen der evakuierten Ladungsträgerquelle und dem Bearbeitungsraum eine Druckstufenstrecke angeordnet ist und der Ladungsträgerstrahl durch hintereinander in den Trennwänden der Druckstufen vorgesehene Öffnungen auf den Werkstoff trifft, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Austrittsöffnung (28) der dem Bearbeitungsraum benachbarten Druckstufe in Richtung des Ladungsträgerstrahls sich ausdehnende seitliche Begrenzungsflächen (44) aufweist, daß die Öffnung der benachbarten Trennwand zur nächsten Druckstufe einen in Richtung der Austrittsöffnung (28) in den von den Begrenzungsflächen (44) umschlossenen Raumbereich hineinragenden Ansatz (22) aufweist und daß die Begrenzungsflächen (44) sowie die Außenflächen des Ansatzes (22) so geformt sind, daß sie zwischen sich einen Durchlaß (48) veränderlichen Querschnitts bilden und bezüglich der durch die Austrittsöffnung (28) eintretenden Gasströmung nach Art einer Überschalldüse zusammenwirken, und daß die Mündung (52) des Ansatzes (22) in an sich bekannter Weise in einem Druckminimum des sich bildenden Druckwellenfeldes liegt.