DE1765192B2 - Schweißvorrichtung zum Bearbeiten eines in einer vakuumdichten, elektrisch leitenden Kammer befindlichen Werkstücks mittels eines Elektronenstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schweißvorrichtung zum Bearbeiten eines in einer vakuumdichten, elektrisch leitenden Kammer befindlichen Werkstücks mittels eines Elektronenstrahls, der von einer an der Kammer angebrachten Elektronenkanone erzeugt wird, mit einer Öffnung in einer Kammerseite zum ungehinderten Eintritt des Elektronenstrahls in die Kammer und einer elektrisch leitenden Verbindung zum Werkstück, wobei in einer Leitung, die die Kammer mit dem positiven Pol einer Stromquelle für die Elektronenkanone verbindet, ein Strommesser liegt, über den der in die Kammer eintretende Elektronenstrahl-Strom zur Stromquelle zurückfließt.

Schweißvorrichtungen der vorerwähnten Art sind bekannt. Bei einer dieser Schweißvorrichtungen (US-PS 60 102) ist zum Messen des von einem Werkstück bo absorbierten Elektronenstrahlstroms ein Strommesser vorgesehen. Dieser Strom wird zu einer Stromquelle zurückgeführt, die wiederum eine Beschleunigungsspannung an eine Elektronenkanone liefert. Zu beachten ist hierbei, daß zwei in einer unteren Kammer befindliche h5 Träger, die das Werkstück tragen, irgendwelche vom Werkstück rückgestreute Elektronen über eine mit der unteren Kammer verbundenen Leitung zur Erde ableiten. Diese Elektronen kehren, ohne durch den Strommesser zu gehen, zur Stromquelle zurück. Es wird behauptet, die Elektronenstrahlleistung sei das Produkt des Stromes und der Spannung, wie sie von dem Strommesser und einem Spannungsmesser angezeigt werden. Die Anzeige ist jedoch fehlerhaft, da der Strommesser nicht den Rückstreuungsstrom mißt, der über die erwähnte Leitung zur Erde abfließt. Dieser (möglicherweise bis zu 50 v.H. betragende) Rückstreuungsstrom muß aber berücksichtigt werden, wenn der wahre Wert der auf das Werkstück auftreffenden Leistung gemessen werden soll.

Bei einer anderen bekannten Schweißvorrichtung (US-PS 31 36 882) ist an dem unteren Ende eines Gehäuses mit einer darin untergebrachten Elektronenkanone ein Schuh befestigt, der auf einem Tisch verschiebbar ist. Auf dem Tisch liegt das zu schweißende Werkstück. Den vakuumdichten Abschluß zwischen dem Schuh und dem Tisch und damit auch zwischen dem Schuh und dem Werkstück besorgt eine o-förmige DichtJippe, deren Dichtwirkung durch Anwendung eines Vakuum-Schmierfettes noch verbessert werden kann. Meßtechnische Probleme, z. B. ein ständiges und genaues Messen zu allen Zeiten, einschließlich der Schweißzeit, spielen hier offensichtlich keine Rolle, da Meßinstrumente nicht vorgesehen sind.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Schweißvorrichtung zu schaffen, die ein genaues Messen des Elektronenstrahlstiomes zu allen Zeiten, einschließlich der Schweißzeit, ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß bei einer Schweißvorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß zwischen der Anode der Elektronenkanone und dem positiven Pol der Stromquelle eine leitende Verbindung vorgesehen ist, so daß Elektronen, die von dem Elektronenstrahl, bevor er die Eintrittsöffnung erreicht, abgelöst werden, über die leitende Verbindung unter Umgehung des Strommessers zur Stromquelle zurückkehren, und daß zwischen die Anode und die iCammerseite mit der Eintrittsöffnung eine elektrische Isolation eingefügt ist, so daß die Kammer als Faraday-Kammer wirkt, welche die von dem Werkstück ausgesandten Sekundär-EIektronen sammelt, wodurch auch diese Sekundär-EIektronen durch den Strommesser fließen und ihn veranlassen, den vollen auf das Werkstück auftreffenden Strahlstrom anzuzeigen.

Der durch die so gekennzeichnete Schweißvorrichtung erzielbare technische Fortschritt gegenüber den bekannten SchweiCvorrichtungen besteht darin, daß mit ihr der Schweißprozeß ständig mit einem überraschend hohen Grad von leicht reproduzierbaren Genauigkeit durchgeführt werden kann, ohne den Schweißprozeß durch intermittierende Messungen, die sonst in Intervallen zwischen den tatsächlichen Schweißvorgängen durchgeführt werden müßten, unterbrechen zu müssen.

Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer als Vorstufe der Erfindung anzusehende Schweißvorrichtung, von der die Erfindung ausgeht;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Schweißvorrichtung gemäß der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist ein elektrisch leitendes Gehäuse 1 auf, dessen Innenfläche eine Vakuumkammer 2 liefert, in der ein Werkstück 3 in elektrisch leitender Verbindung mit dem Gehäuse 1

untergebracht ist. Letzteres hat eine kreisrunde öffnung 4.

Eine Elektronenkanone zur Lieferung des Elektronenstrahls besteht aus einer, von einer elektrisch-isolierenden Halterung 6 getragenen Kathode 5 und einer Anode 7. Die Anode ist auf einer elektronenoptischen Linse 8 befestigt, deren elektrisch-leitendes Gehäuse unter Zwischenfügung einer elektrisch-leitenden Strahlensperre 9 auf dem oberen Ende des Gehäuses 1 ruht. Die Strahlensperre 9 ist mit einer den Strahl begrenzenden öffnung versehen, die zu der öffnung 4 des Gehäuses im wesentlichen koaxial liegt. Auf diese Weise besteht zwischen der Anode 7 über das Gehäuse der Linse 8 und der Strahlensperre 9 eine elektrisch leitende Verbindung mit dem Gehäuse 1.

Eine Hochspannungs-Stromquelle 10 liegt mit ihrem negativen Pol an der Kathode und mit ihrem positiven Pol über einen Strommesser 11 am Gehäuse 1, das aus Sicherheitsgründen geerdet ist. Die Arbeitsspannung (Nachbeschleunigungsspannung) der Elekti jnenkanone wird durch ein zur Stromquelle 10 paralleigeschaltetes Voltmeter 12 angezeigt.

Im Betrieb sendet die Katiiode 5 Elektronen 13 aus, von denen einige gebündet werden, die Strahlensperre 9 und die Öffnung 4 passieren und als Elektronenstrahl 14 auf das Werkstück 3 treffen. Peripherale, von der Kathode ausgesandte Elektronen werden von der Anode 7 und der Strahlensperre 9 abgefangen, bevor der Strahl die öffnung 4 erreicht. Diese Elektronen bilden keinen Teil des auf das Werkstück 3 ausfallenden Elektronenstrahles. Ein kleiner Teil des zum Werkstück gelangenden Elektronenstrahl-Stromes fließt über das Gehäuse 1 und den Strommesser 11 zur Stromquelle. Ein anderer kleiner Teil des das Werkstück erreichenden Stromes geht durch die Emission von Sekundärelektronen verloren. Diese werden aber im allgemeinen durch die Wände der Kammer 1 aufgefangen und kehren über das Voltmeter 11 zur Stromquelle U zurück. So fließt im wesentlichen der gesamte Strom des Elekti onenstrahls, der in die Kammer 2 eintritt und das Werkstück schließlich erreicht, zur Stromquelle 11 zurück. Irgendwelche von der Anode, der Strahlensperre und anderen, den Strahl begrenzenden Anschlägen der Elektronenkanone abgefangene Elektronen fließen jedoch ebenfalls über den Strommesser 11 zur Stromquelle zurück. Der vom Strommesser angezeigte Strom neigt dazu, etwas höher zu sein als der tatsächlich auf das Werkstück 3 fallende und das Schweißen bewirkende Strom des Elektronenstrahls.

Wenn Elektronenstrahl-Schweißungen reproduzierbar hergestellt werden sollen, ist es wünschenswert, daß die Schweißbedingungen mit einem hohen Genauigkeitsgrad regelbar sind. Eine wichtige Kenngröße ist die das Werkstück erreichende Strahlleistung, da die Tiefe der Schweißstelle mit dieser Leistung unmittelbar verknüpft ist (für eine gegebene Gruppe anderer Bedingungen). Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung hat den Nachteil, daß sie keine genaue Messung des durch den Elektronenstrahl 14 gebildeten Stroms ermöglicht. Eine Eichung des Strommessers 11 gegen den wahren Werkstückstrom (d. h. gegen den wahren Wert des durch Strahl 14 gebildeten Stroms) könnte vorgenommen werden, bevor auf dem Werkstück eine Schweißung ausgeführt wird, durch Verwendung einer kleinen »Faraday«-Kammer (d. h. einem elektrisch-leitenden Gehäuse mit einem Loch zum Einlassen eines Elektronenstrahles) in die Vakuumkammer 2, um den gesamten Werkstückstrom abzufangen; die »Faraday«- Kammer ist vom Gehäuse 1 und der Elektronenkanone elektrisch isoliert. Dadurch wird dsr aufgefangene Strom getrennt gemessen, der den wirklichen Strom des Elektronenstrahls darstellt. Im allgemeinen werden 5 optimale Schweißbedingungen für ein Werkstück empirisch bestimmt, und bei den darauffolgenden gleichen Schweißvorgängen ist es wünschenswert, diese optimalen Bedingungen aufrechtzuerhalten, z. B. durch Beibehaltung des optimalen Wertes des wahren Stroms

ίο des Elektronenstrahls. Der durch die Anode und irgendwelche Strahlsperren der Elektronenkanone abgefangene Strom ist jedoch von der genauen Einstellung der Kathode, der Anode und anderen Strahlsperren abhängig. Daher müssen, da die Kathodenstellung wegen thermischer Effekte einer Verlagerung und, wenn eine Kathode ersetzt werden muß, einer plötzlichen Änderung ausgesetzt ist, Kontrollen am Elektronenstrahl-Schweißstrom verhältnismäßig oft wiederholt werden. Diese Vorrichtung hat also den Mangel, daß sie nur intermittierende Messungen erlaubt, die in Intervallen zwischen den Schweiflvorgängen durchgeführt werden können. Das ist unzweckmäßig, weil es eine Unterbrechung des Schweißprozesses erfordert.

Bei der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung gemäß der Erfindung ist der vorerwähnte Mangel vermieden. Die Elektronenkanone mit allen Strahlensperren und anderen, den Strom abfangenden Teilen, wie die Anode 7, ist durch einen Isolationsring 15 vom Gehäuse 1 elektrisch isoüeri, um den Durchgang von der Elektronenkanone zur Kammer 2 vakuumdicht zu halten. Zwischen der Elektronenkanone und dem positiven Pol der Stromquelle 10 sind Verbindungsleitungen 16 vorgesehen, um (Pimär-)Elektronen, die peripherisch von dem Elektronenstrahl durch strahlbegrenzende Teile, wie z. B. die Strahlensperre 9, abgelöst werden, bevor der Elektronenstrom die Öffnung 4 in der oberen Kammerseite erreicht, unter Umgehung des Strommessers 11 zum positiven Pol der Stromquelle 10 zurückzuleiten.

Der Isolationsring 15 zwischen der Anode 7 und der Kammerseite mit der öffnung 4 macht die Kammer 2 erfindungsgemäß zu einer Faraday-Kammer, welche die vom Werkstück 3 ausgesandten Sekundär-Elektronen sammelt. Dadurch fließen auch diese Sekundär-Elektronen über die vom Gehäuse 1 abgehende Leitung durch den Strommesser und veranlassen ihn, den vollen auf das Werkstück 3 auftreffenden Strahlstrom anzuzeigen. Die öffnung 4 im Gehäuse 1 ist erheblich größer als

die öffnung der Strahlensperre 9, um sicherzustellen, daß der Elektronenstrahl 14 ungehindert in die Kammer 2 eintreten kann. Die öffnung 4 ist jedoch nicht so groß, daß einer abschätzbaren Anzahl von Sekundär-Elektronen oder rückwärts gestreuten Elektronen ein Entweichen aus der Kammer 2 möglich wäre. Nach einem weiterbildenden Merkmal der Erfindung soll das Verhältnis des Radius der öffnung 4 zum Abstand £>des Werkstücks nicht über 1 :10 hinausgehen, wenn der Strom mit einer Genauigkeit von etwa 1 v. H. gemessen

bo werden soll. Üblich ist ein Radius von 1 cm für die öffnung 4 mit 100 KV bis 150 KV betriebene Elektronenkanonen.

Der durch den Strommesser 11 angezeigte Strom ist also nur der in die Kammer 2 eintretende Strom, der auf

h) das Werkstück 3 scharf eingestellt ist und damit den wahren Elektronenstrahl-Schweißstrom bildet. Die Verwendung des Gehäuses 1 selbst in elektrischer Verbindung mit dem Werkstück 3 ermöglicht es,

Meßfehler zu berichtigen, die von einem Verlust rückgestreuter Elektronen hoher Energie herrühren (größer als 50 eV), wie auch von Meßfehlern, die durch einen Verlust von Sekundär-Elektronen kleiner Energie (weniger als 50 eV) bedingt sind, ohne daß an das Werkstück 3 eine positive Vorspannung angelegt werden muß.

Es leuchtet ein, daß der Strommesser 11 in Fig.2 wahlweise auch in der Verbindungsleitung zwischen dem Gehäuse 1 und dem Erdungspunkt 17 liegen könnte. Die in Fig. 2 gezeigte Stelle für den Strommesser ist jedoch vorzuziehen, um für das Gehäuse eine sichere Erdung zu erhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schweißvorrichtung zum Bearbeiten eines in einer vakuumdichten, elektrisch leitenden Kammer befindlichen Werkstücks mittels eines Elektronen- s Strahls, der von einer an der Kammer angebrachten Elektronenkanone erzeugt wird, mit einer Öffnung in einer Kammerseite zum ungehinderten Eintritt des Elektronenstrahls in die Kammer und einer elektrisch leitenden Verbindung zum Werkstück, wobei in einer Leitung, die die Kammer mit dem positiven Pol einer Stromquelle für die Elektronenkanone verbindet, ein Strommesser liegt, über den der in die Kammer eintretende Elektronenstrahl-Strom zur Stromquelle zurückfließt, dadurch \s gekennzeichnet, daß zwischen der Anode (7) der Elektronenkanone und dem positiven Pol der Stromquelle eine leitende Verbindung (16) vorgesehen ist, so daß Elektronen, die von dem Elektronenstrahl, bevor er die Öffnung (4) erreicht, abgelöst μ werden, über die leitende Verbindung (16) unter Umgehung des Strommessers (11) zur Stromquelle zurückkehren, und daß zwischen die Anode (7) und die Kammerseite mit der Öffnung (4) eine elektrische Isolation (15) eingefügt ist, so daß die Kammer (2) als Faraday-Kammer wirkt, welche die von dem Werkstück (3) ausgesandten Sekundär-EIektronen sammelt, wodurch auch diese Sekundär-EIektronen durch den Strommesser (11) fließen und ihn veranlassen, den vollen auf das Werkstück auftreffenden Strahlstrom anzuzeigen.

2. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) geerdet ist (bei 17).

3. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, J5 dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (4) kreisförmig ist und ihr Durchmesser nicht größer als ein Zehntel des vom Elektronenstrahl (14) von der Öffnung (4) bis zum Werkstück (3) zurückgelegten Weges ist. 4n