DE1765269A1

DE1765269A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Pruefen des Fokussierungszustandes eines Elektronenstrahls fuer einen Elektronenstrahl-Schweissvorgang

Info

Publication number: DE1765269A1
Application number: DE19681765269
Authority: DE
Inventors: Mercer Peter Atherton; Adams Martin James
Original assignee: Welding Institute England
Current assignee: Welding Institute England
Priority date: 1967-04-25
Filing date: 1968-04-25
Publication date: 1971-07-08
Also published as: FR1562520A; US3534386A; US3534387A; GB1209034A

Description

DB. ing. H. NEGENDANK · dipl-ing. H. HATJCK · dipl-phys. W. SCHMITZ

HAMBURG-MÜNCHEN

HAMBURG 3Ü · NEUER AVALL 41

TEL. 36 74 28 UND «β 41 13

The Welding Institute telegh. negehapatent Hamburg

... . ,··,-, ,.. x. MÜNCHEN 15 · MOZAHTSTR. 23

Abin^ton hall, Abin~ton

TEL.338058<I

Cambridge^ England ^TELE°^B" ^{NEGEDAPATENT MÜNCHE}*

München, 25. April 1963

Anwaltsakte M-3*16

Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen

des Fokussierung,ssustarides eines Elektronenstrahls für einen Elektronenstrahl-Schweißvorgang

Die beim elektronenstrahlschweißen wichtigen Strahlkenngrößen sind der otrahldurchmesser im Fokus, die Energieverteilung im Strahl und das Ausmaß der Strahlkonvergenz. Da es sich um hohe Energiedichten handelt > ist es schwierig; irgendwelche Kenngrößen der Elektronenstrahlen direkt zu messen, und es ist nicht möglich, die Energiedichte des Strahls zu vermindern, um die anderen Kenngrößen zu messen, da diese sich infolge der Veränderung der Ctrahlleistung ebenfalls verändern.

Um eine optimale Schweißunp; in reproduzierbarer V/eise erzeugen zu können, ist es notwendige den Elektronenstrahl genau auf eine vorbestimmte Stelle innerhalb des zu schweißenden Materials zu fokussieren. Es ist üblich, die i'Oku.'i;;lorunf- vlsuelL vom iieulenungsmann ausführen zu lassen, wobei entweder dan Werkstück selbst oder ein damit

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Metallstuck

vergleichbares W··*··**·** verwendet wird, da der Gegenstand im Fokus intensiv erwärmt wird. Der Bedienungsmann beobachtet durch ein optisches Pernrohrsystem die Stelle, an welcher der Elektronenstrahl auf das Werkstück oder andere Metallstück auftrifft, und verstellt den Pokussierungsstrom_; bis der im Gesichtsfeld erscheinende Leuchtpunkt am kleinsten ist. Es ist jedoch schwierigj die Größe des siedenden Metallpunkts £ abzuschätzen, und zwar auch dann, wenn der Fokussierblock kontinuierlich bewegt wird; um zu vermeiden, daß sich durch Wärmeleitung ein großer Schmelzkrater bildet. Infolgedessen ist es wenig wahrscheinlich, daß aufeinanderfolgende Schweißungen in der Qualität gleichmäßig ausfallen; die Schweißqualität wird auch von Bedienungsmann zu Bedienungsmann verschieden sein. Hinzu kommt, daß der Bedienungsmann keine Einrichtungen zur Verfügung hat, die eine Information darüberjiiefern, ob das Betriebsverhalten der Maschine ebenso gut igt wie bei einer vorausgegangenen Benutzung; und deshalb kann der Bedienungsmann., auch wenn er den bestmöglichen Fokussierungszustand erzielt, nicht sicher sein, daß die Strahldaten, einschließlich des Strahldupehmggsers im Fokus, gegenüber einer früheren Benutzung unverändert sind.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin_s da die Fo-

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kussierung in einen Brennfleck auf der Oberfläche des Metall-Werkstücks nicht notwendigerweise zu dem am meisten erwünschten Schweißprofil führt.

Infolgedessen können, obwohl das Elektronenstrahl-Schweißen zahlreiche wertvolle Eigenarten aufweist und Schweißnähte von sehr hoher Qualität herzustellen gestattet j die optimalen Arbeitsbedingungen nur durch praktische Versuche, die von geschulten Bedienungsleuten ausgeführt werden, bestimmt und aufrechterhalten werden.

Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, beim Elektronenstrahl-Schweißen eine einfache Möglichkeit zum Einstellen optimaler Arbeitsbedingungen zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung ein Verfahren zum Prüfen des Pokussierungszustandes eines Elektronenstrahls für einen Elektronenstrahl-Schweißvorgang., das dadurch gekennzeichnet ist., daß eine dünne metallische Sonde innerhalb der Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung angeordnet wird, daß der Sonde und dem innerhalb der Vorrichtung erzeugten Elektronentrahl eine periodische Relativbewegung erteilt wird, bei der

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1 7 B b 2 6

in jeder Periode die Sonde durch den Strahl bewegt wird, und daß ein elektrisches Signal, das von einer den Strahl schneidenden Auffängerelektrode abgeleitet wird und auf die periodische Überschneidung von Sonde und Strahl zurückzuführende Veränderungen aufweist, zum Steuern einer Anzeigeeinrichtung oder zur Betätigung automatischer Pokussiereinrichtungen benutzt wird.

Der Auffänger kann die Sonde selbst oder ein Metallglied sein, das so angeordnet ist,, daß es vom Strahl nach dessen Durchgang durch die Sonde beaufschlagt wird, wobei das von einem derartigen Auffänger erhaltene Signal invers zu dem Signal ist, das von der Sonde abgeleitet werden würde. Um die Relativbewegung zwischen der Sonde und dem Strahl hervorzurufen, kann die Sonde gedreht werden, oder es kann die Sonde stationär gehalten und der Strahl in eine Dreh- oder Schwingungsbewegung versetzt werden. Die Sonde soll so angebracht werden, daß nur eine ihrer Kanten direkt dem Elektronenstrahl ausgesetzt ist, und die Geschwindigkeit der Relativbewegung soll so sein, daß eine überhitzung der Sonde vermieden wird. Typischerweise wird die Geschwindigkeit der Relativbewegung so gewählt, daß die Sonde'sich nur für etwa 1/30000 Sekunde im Strahl befindet. Es ist vorteilhaft, eine Mehrfach-

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sonde zu verwenden., die In der Laufrichtung des Elektronenstrahls gegeneinander versetzte Arme aufweist, so daß verschiedene Arme den Strahl an verschiedenen Stellen schneiden und die von den verschiedenen Armen erhaltenen elektrischen Signale bei der VJiedergabe auf einem Oszillographenschirm Bilder liefern, die durch ihre Amplitude und Breite die sich zwischen der ersten Sonde und der letzten Sonde im Strahlweg ergebenden

Veränderungen der ,Strahlintensität und -breite darstel- Λ

len. Diese Sonden sind vorzugsweise ferner auch in Richtung der Relativbewegung zwischen Sonde und Strahl gegeneinander versetzt, um eine zeitliche Verschiebung der von ihnen erzeugten Signale hervorzurufen.

Die von irgendeiner Sonde, die vom Elektronenstrahl getroffen wird, abgeleiteten Oszillographenbilder stellen ungefähr das Energiedichteprofil des Strahls an der überschneidungsstelle des Strahls mit der betreffenden Sonde dar. und durch Einstellung des Stromes der Fo- ^

kuo.-jlerupule der Elektronenstrahlmaschine ist es möglich, eine gewünschte Verteilung der Strahlenergie zu erzielen. Im Fokus ist die optimale Knergieverteilung die, bei welcher die größte Amplitude und die kleinste Strahlbreite vorhanden ist.

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Anstelle des Verfahrens, das Sondensignal mit hoher Empfindlichkeit auf einem Oszillographenschirm darzustellen, kann auch ein Spitzenspannungsmesser verwendet werden. Eine automatische Regelung des Stroms der Fokussierspule kann unter Verwendung von Servoeinrichtungen durch Erfassen eines Maximalwertes der Spannungsmesser-Anzeige oder bei Verwendung einer Referenzspannung durch Einsteuern eines Nullabgleichs erzielt werden. Beispielsweise kann durch eine Servoeinrichtung der Pokussierstrom verstellt werden^, im Bestreben, eine gegebene Impulsbreite beizubehalten, oder es kann durch den Servomechanismus der Fokusslerstrom kontinuierlich in solcher Richtung verstellt werden werden, daß bei einer dreiarmigen Sondenanordnung entsprechend der obigen Beschreibung die Amplitude des von der mittleren Sonde gelieferten Signals relativ zu den Amplituden der von den äußeren Sonden gelieferten Signale vergrößert wird.

In manchen Fällen kann es von Vorteil sein, dt® Sondenarme so anzuordnen^ daß sie in solchen Richtungen durch den Elektronenstrahl geschnitten werden, 4&ft 4ietvon diesen Armen abgeleiteten Signale die Verteilung der Strahlenergie in zwei zueinander senkrechten Richtungen in der Ebene anzeigen, in welcher die Arme durch den

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Strahl hindurchschwingen.

Einice Ausführungsformen von Elektronenstrahl-Schweißvorrichtungen haben ein Zweilinsen-System. Bei derartigen Einrichtungen erscheint im Elektronenstrahl ein Crossover zwischen der oberen und der unteren Linse, und die Sonde kann somit so angeordnet werden, daß sie an derjenigen Stelle des Etrahlweges rotiert., an der das Crossover liegen muß, um den Strahl auf das Werkstück zu fokussieren, und der Fokussierstrom kann im Sinne einer Minimisierung des Crossover-Strahldurchmessers verstellt werden. Bei einer derartigen Anordnung kann die Sonde zur kontinuierlichen überwachung des Fokussierzustandes des Strahls während des eigentlichen Schweißvorganges verwendet werden.

Eine kontinuierliche überwachung des Fokussierungszustandes ist auch-bei der vielter verbreiteten Form von Elektronenstrahl-Schweißvorrichtungen erwünscht, die nicht mit zwei Linsen arbeitet, doch kann offensichtlich die rotierende Sonde nicht in dem im Werkstück liegenden Fokus des Strahls oder in dessen llähe angeordnet werden. Eine kontinuierliche überwachung bei derartigen Vorrichtungen ist jedoch mit einer Anordnung möglich, bei der eine stationäre Sonde verwendet wird.

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und entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wexäen während eines Schweißvorganges dem !Elektronenstrahl Ablenksignale mit zeitlichen Abständen zugeführt, so daß der Elektronenstrahl von Zeit zu Zeit aus der Schweißposition herausschwingt und die Sonde schneidet. Die Zeitdauer während der der Elektronenstrahl aus seiner Schweißposition abgelenkt wird, ist ein sehr kleiner Bruchteil der gesamten Schweißzeit; beispielsweise kann es sich um I/50 der gesamten Schweißzeit handeln. Die Sonde kann während kontinuierlicher Überwachungsvorgänge nicht im Fokus des Strahls angeordnet werden, falls nicht das Werkstück eine geringe Breite aufweist und der Strahl aus dem Bereich des Werkstücks herausgeschwenkt werden kann, um die Sonde in der Fokusebene zu schneiden. Wenn jedoch die Sonde stationär ist. kann sie sehr nahe an der Oberfläche des Werkstücks angeordnet werden, und da der Konvergenzwinkel des Strahls sehr klein ist, geht sie immer noch durch einen Strahl von schmaler Breite, wenn dieser richtig fokussiert ist. Die Breite des sich an der Sonde ergebenden Impulses kann mit dem Abstand zum Fokus unterhalb der Sondenhöhe in Beziehung gesetzt werden.

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Sonde Lin Vorteil bei Verwendung einer stationären ¹¹

Sonde

und Dewegung des Strahls über die Jijnabei besteht darin ₃ daß es nicht notwendig ist» eine sich drehende Welle oder einen Motor innerhalb des Gehäuses der Elektronenstrahl-Schweißvorrichtunß vorzusehen.

Die Irfindung wird im folgenden an Hand von Ausführun^sbeispielen erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:

. 1 eine schematische Darstellung einer rotieren den Sondenanordnunp:, die in eine Elektronenstrahl-Schweißvorrichtunp einsetzbar ist,

Fir;· 2 eine Anordnung, bei der eine stationäre Sonde und ein umlaufender Elektronenstrahl verwendet werden,

FIf-. 3 ein Oszillopjraphen-Schirmbild der Art, wie es mit Conuenanordnunp-en nach den Fi^n. 1 und erhalten wird,

VW· ^l]> Ablenk-V/ellenfoi'inen für die zur überwachung erforderliche periodische Ablenkung: des Elektronenstrahl:; ,

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Fig. 5 die durch die Ablenk-Wellenformen der Pig. 4 erhaltenen Strahlbewegungen in bezug auf eine stationäre Sonde,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer automatischen Fokussierschaltungj und

Fig. 7 einen becherförmigen Auffänger, der beim Fokussieren vor dem Schweißen verwendbar ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird eine Welle 10 von einem Induktionsmotor angetrieben, der in einem Stahlgehäuse 11 untergebracht ist; die Welle trägt eine Sonden-Haltestange 12 ₃ die sich senkrecht zur Drehachse der Welle erstreckt. Auf einem Ende der Stange 12 sind drei Sonden 13 mit gegenseitigem seitlichem und vertikalem Abstand befestigt. Die Achse des Elektronenstrahls liegt parallel zur Drehachse der Welle 10, und infolgedessen liefert die vertikale Versetzung der Sonden eine Information über die Strahldivergenz und die seitliche Versetzung ein Zeitintervall zwischen den von den einzelnen Sonden gelieferten Signalen. An dem anderen Ende der Stange 12 ist ein Gegengewicht 14 befestigt, über eine Leitung lH wird ein elektrisches Signal einem Ende eines St sllwider-

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1'/ 6 S 2 B

Standes 16 zugeführt, dessen anderes Ende an eine geerdete Ausgangsklemme 23 angeschlossen ist. Der Schleifer 17 des Stellwiderstandes ist an die zweite Ausgangsklemme 2 4 angeschlossen; die ein Signal für die Vertikal-Ablenkelektroden eines Kathodenstrahl-Oszillographen liefert.

Es ist notwendig, den Oszillographen mit einem Referenzsignal zu versorgen, um die Horizontalablenkung des Strahls zu synchronisieren. Dieses Referenzsignal wird von einem innerhalb des Kastens 18 untergebrachten Fototransistor geliefert, der normalerweise durch einen im Kasten vorgesehenen Schlitz Licht von einer Lampe 19 erhält. Das Licht wird bei jeder Drehung der Welle 10 an einer festen Stelle durch einen Verschlußarm 20 unterbrochen, der auf einer mit der Welle 10 umlaufenden Scheibe 21 befestigt ist.

Mit einer derartigen Anordnung können die von der Sonde erzeugten Schirmbilder in bezug auf einen festen zeitlichen Bezugspunkt synchronisiert werden, und infolgedessen kann die Relativbewegung des Elektronenstrahls in bezug auf den zu schweißenden Gegenstand

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i / b h y 6

verfolgt werden. Eine derartige Bewegung wird manchmal bei Strahlschweißger^ten festgestellt, die eine schwankende Beschleunigungsspannung aufweisen.

Eine andere Möglichkeit zur Synchronisierung der Ablenkung des Oszillographenstrahls besteht darin, ein Signal von einer Leersonde zu benutzen, die vor den Sonden 13 durch den Elektronenstrahl geht. Dadurch empfangen die Horizontal-Ablenkplatten des Oszillographen ein Zeitbasissignal, das von einem Referenzimpuls aus der sich drehenden Sondenanordnung (von

getastet wird, der Klemme 22 in Fig. 1) mupGämfifri und die Vertikalablenkplatten des Oszillographen empfangen das Impulssignal, das sich jedesmal dann ergibt, wenn eine Sonde durch den Elektronenstrahl geht und Elektronen auffängt, die über den einstellbaren Widerstand zur Erde abfließen.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist die Sondenanordnung 30 stationär und unter Zwischenlage eines Isolators 32 auf einem würrneabführenden Bauteil 31 befestigt. Wie bei der Sondenanordnung nach Fig. 1 sind drei Sonden 13 gegeneinander vertikal und seitlich versetzt angeordnet. In diesem Fall wird einen durch die Linie 36 dargestellten Elektronenstrahl eine

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kontinuierlich wiederholte Ablenkung derart erteilt, daß er eine kreisförmige Bahn auf einer Strahl-Vju'rmeableitung 37 vollführt und beim Durchlauf dieser Kreisbahn die Sonden je einmal überfährt. Die Sonden, die ebenfalls in einem eine Wtlrme ab leitung darstellenden I'letallblock 33 angebracht sind,, sind über eine Vorspannbatterie 3^ und einen Widerstand 35 elektrisch mit der Erde verbunden, und die am Widerstand abfallenue Spannung wird den Vertikal-Ablenkplatten des Oszillographen zugeführt. In diesem Fall wird das Strahl-Synchronbiersignal am bequemsten von der Quelle abgeleitet, die die Ablenksignale für den umlaufenden Strahl liefert,

Lin für eine dreiarmice Sondenanordmw der in den Fign. 1 und 2 r.ezeip-ten Art typisches Schirmbild ist in Fig. ■j wiedergegeben. Dort stellt die X-Achse die Zeit und die Y-Achse die integrierte Stromdichte dar. Bei jedem Impuls 3tolit die Breite an der Dasis den Strahldurchr:.o;j;jer dar. ilan erkennt , daP/das in Fir··. 3 dargestellte .,chlrmbild einen f-;utcm Ι'Ό1ηκ;α lerzustand wMer^ibt. weil da;; yon dor mittleren "cmdu ;;eLieferte Signal eine hohe i.rif?i'.-;i (--dichte und einen 1:LeInen Strahldurchmesser an-

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Γ/65209 1Η

Die Pig. 4 zeigt die X- und Y-Ablenk-Wellenformen, die verwendet werden, um den Fokus während eines Schweißvorganges mit einer stationären Sonde zu überwachen. Diese Ablenk-Wellenformen veranlassen den Elektronenstrahl, von Zelt zu Zeit aus der Schweißposition herauszulaufen und die Sondezu überfahren. In diesem Beispiel bleibt der Elektronenstrahl etwa 1/50 der Gesamtzeit außerhalb der Schweißstelle.

Wie in Fig.4 dargestellt, wird den X- und Y-Ablenk-Zeitbasen der Elektronenstrahl-Schweißeinrichtung periodisch ein unipolarer Impuls in Form einer Sinus-Halbwelle erteilt, wobei die beiden Impulse sich um die Hälfte ihrer Dauer überlappen. Das in Fig. 5 dargestellte Ergebnis dieser Anordnung besteht darin,daß der Strahl beim Auftreten des ersten Impulses in der X-Richtung entlang eines Weges a herausschwenkt, wobei die Stelle maximaler Ablenkung an der Spitze des Impulses auftritt. An dieser Stelle beginnt der Y-Ablenk-Impuls, so daß während der nächsten halben Impulsperiode gleichzeitig die Y-Ablenkung mit der ansteigenden Sinus-Wellenform und die X-Ablenkung mit der fallenden Sinus-Wellenform stattfinden. Infolgedessen schwingt der Strahl um seine Schweißposition in einem Bogen b bis zu einer Stelle, an der keine X-Ablenkung^ sondern

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maximale Y-Ablenkung vorliegt. Daraufhin nimmt während der nächsten halben Impulsperiode die Y-Ablenkung sinusförmig ab, und der Strahl kehrt entlang der Bahn c in die Schweißposition zurück. Die Sonde kann irgendwo in der Bewegungsbahn des Strahls während dieser Ablenkung angeordnet werden; vorzugsweise wird eine Sonde 40, die eine rechtwinklige Biegung aufweist, so angeordnet, daß ein Abschnitt der Sonde in der ersten Halbperiode der insgesamt aus drei halben Impulsperioden bestehenden Gesamtablenkung vom Strahl überquert wird, und der andere Abschnitt der Sonde während des dritten halbimpulses.

Die periodische Überwachungs-Ablenkung der Sonde verüäigert auch die Lebensdauer der Sonde, da sie nur sehr wenig Wärme absorbieren muß. Dies trifft bei einer geradlinigen Ablenkung (wobei der Strahl die Sonde bei seinen Auswärts- und Einwärtsbewegungen in jeder n-ten Periode der Quelle überquert) ebenso wie bei der quadr^tartigen Ablenkung zu, bei der der Strahl die Sonde nur einmal oder an zwei verschiedenen Stellen trifft, so daß sich eine weitere Erhöhung der Lebensdauer der Sonde ergibt. Quadranten, Halbkreise oder Dreiviertelkreise können nach Wunsch verwendet werden um die Sonden in Betrieb oder außer Betrieb zu schalten. Falls gewünscht, kann die Sonde eine Anzahl von Armen aufwei-

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i "/ b b Ί ti 9

sen, wie in den Fign. 1 und 2.

Eine derartige Sonde kann recht nahe an der Oberfläche des Werkstücks angeordnet werden., und da der Konvergenzwinkel des Strahls sehr klein ist_; geht sie dann immer noch durch einen Strahl ir.it kleiner Breite, wenn der Strahl richtig fokussiert ist. Falls das Werkstück eine veränderliche Höhe aufweist, d.h. falls es verschiedene Abstände von der Elektronenkanone hat, kann die Sonde so bewegt werden, daß sie dem Profil des Werkstücks folgt j und auf diese Weise kann ein kontinuierlich veränderter Fokus erzielt werden. Stattdessen kann auch die Breite des Referenzstrahls für die Sonde verändert werden, un die gleiche Wirkung hervorzurufen. Dies kann dadurch erreicht werden_a daß die Konturen des Werkstücks elektrisch oder mechanisch abgefühlt werden, oder durch eine besondere Programmierung. Für Stufenprofile können entsprechende Veränderungen des Fokus mit Hilfe von getrennten, ortsfesten Sonden erzielt werden, die in verschiedenen Höhen angebracht sind.

Die Signale für die Ablenkung des Elektronenstrahls kennen leicht dadurch erhalten werden, daß man zwei ,'Jinus-Wellenformen erzeugt, die um 90° gegeneinander phasen-

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verschoben sind, und bei jeder dieser Vfellenformen eine Halbwelle in jeder 50. Periode ausschleust. Eine dritte Schleusenschaltun^,, die ebenfalls alle 50 Perioden in Tätigkeit tritt- kann dazu dienen, um aus den abv/echselnden liellenformeri ein Referenzsignal für die Ablenkung· des Ossillor-raphcnstrahls abzuleiten.

Die Breite., die die Sonde dein Strahl darbietet, soll beträchtlich kleiner sein als der wirksame Durchmesser des Elektronenstrahls. bei Erfüllung dieser Dedingunr sind die !Spitze oder Amplitude e und die Gesamtaauer des von der Probe erhaltenen Sinnais beide sehr empfindlich i'ej-enüber LleLnon Veränderungen der LnerfiedichteverteLI'.uir- und des otrahldurchmessers . Vorzugs v/eine wird ein i/.and verviendet das seine Kante dem Strahl darbietet, da ein Band Lnfolge seiner e;röi'jeren Quersclinittsfläühe und somit r:röi>eren thermischen Leitfähigkeit und Viärmekapaiität eLnem Elektronenbombardement U'nper utrindliült als em Draht von i'leicher Dicke.

f swelse v/Jrd al:; Jiaterlal für dio r.onde VJoIfram ven/eiiiiüt, da es einen hohen Schirelüpunlrt elruiti hohen Mc-ijopunlct ur.fl eine _f;nl.i.: Vi.^:i nuc h I. Lfi'.h L;4:e Lt aufv/eist. /vuf^J.f;rUoiii i;'.t es ohne woltori;:> in i'Orm foLnor Drähte

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und Bänder erhältlich. Andere brauchbare Materialien sind Kupfer und Platin: sie sinü jedoch oberhalb mäßiger Strahleistungen weniger brauchbar. An die Sonde kann eine Vorspannung angelegt werden, um Sekundäremission als Folge der Einwirkung des Elektronenstrahls zu unterdrücken. Falls der Strahldurchmesser oder Strahlstrom schwankt (z.B. entsprechend einer Restwelligkeit einer Versorgungsspannung der Maschine) erfaßt die Sondenanorcinung diese Schwankung und zeigt ihre Auswirkung auf den Strahl an. Zu diesem Zweck wird die Schwingfrequenz der Sonde relativ zum Strahl etwas größer gewählt als die Frequenz der möglicherweise auftretenden Restwelligkeit einer Maschinen-Versorgungssparmung.

Eine automatische Regelung des Fokussierzustandes kann durch die in Fig. 6 schematisch dargestellte Schaltung erzielt werden. Das von der Sonde gelieferte Eingangssignal wird über einen airekt gekoppelten Verstärker einer Spitzenweruschaltung, beispielsweise· einer Dioden Kondensator-Schaltung, zugeführt. Die bei jeder Schwingung auftretende Spitzenopannung wird einem Maximalspunnungsfühlor"oup;ei'ührt, der einen Polaritätswechsel der Steigung des aus der Aufeinanderfolge von Spitzen-

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^f* Ί V 6 b λ B

spannungen erhaltener Signals erfaßt., z.U. durch Bestimmen der ersten und zweiten Ableitung des Signals. Immer dann, wenn die Polarität der Steigung wechselt, wird ein Signal einer Fokussier-Servoeinrichtung zugeführt , um den Strom der Fokussierspule in einem solchen Sinn zu verstellen, daß der Jtnderungssinn des Fokus umgekehrt wird. Somit schwingt der Strahlfokus, kontinuierlich um seine Sollposition. Sobald er sich in einem ersten Richtungsinn vom Fokus werbewert, wird die Richtung der Änderung umgekehrt, und sobald er wieder durch den Fokus gegangen ist und sich im entgegengesetzten Sinn erneut vom Fokus entfernt, wird die Richtung der Änderung erneut umgekehrt. Regelanlagen dieser Art sind in Kapitel 15 (Optimalizing Control) des Buches von H.S. Tsien "Engineering Cybernetics", erschienen im Jahr 195¹J im Verlag IIcGraw Hill, beschrieben₃ und ebenso in einem Artikel von R.L. Maybach "Peak Holding Optdmalizing Servo" in der Zeitschrift "Instrument and Control Systems", Band 36. Ho. 10 (Oktober 1963)₅ Seite 76. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liefert ein Ileßgeri't eine sichtbare Anzeige der Spitzenwerte.

Bei einer anderen Auführungsform einer automatischen Fokusslereinrichtung wird das Ausgangssignal der den

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Spitzenwert haltender· Schaltung einer mit einer Referenzspannung gespeisten NullabjfLeich-Servoeinrichtung zugeführt, die den Strom der Fokussierspule steuert. Dieses System kann verwendet werden, wenn der Strahl an einer Stelle oberhalb des gewünschten Fokus abgefühlt wird, wobei die Referenzspannung mit dem Abstand in Beziehung steht, mit dem die Sonde oberhalb des Werkstücks angeordnet ist.

Wenn der Strahl vor einem Schweißvorgang fokussiert wirdj wird ein becherförmiger Auffänger 42 (Fig. 7), der eine Endfläche 43 mit einer Mittelöffnung 44 aufweist j so in den Strahlweg gebracht, daß der Strahl durch die Mittelöffnung geht; bei der dargestellten Ausführungsform ist der Becher von einer Kühlschlange 45 umgeben. Es hat sich gezeigt, daß mit einer derartigen Anordnung die direkte Ionenemission des Auffängers vermindert wird. Es ist offensichtlich, daß eine Aufzeichnung des von dem Auffängerbecher oder irgendeinem anderen Auffftngerglied, das in Strahlrichtung hinter der Sonde im Strahlweg angeordnet ist, abgenommenen Stromes die Umkehrung des in der vorbeschriebenen Weise von der Sonde abgenommenen Signals darstellt. Dies beruht darauf., daß das Loch in dem becherförmigen Auf fänger von keinem Signal erreicht wird_

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wenn Sonde und Strahl sich überschneiden.

Die Verwendung der Sonde und der Relativbewegung zwischen dem Strahl und der Sonde gestattet es, den Fokus mit guter Genauigkeit zu bestimmen und ein hohes Verhältnis Tiefe zu Breite im geschmolzenen Metall zu erhalten: dies hat sich für tiefes Eindringen als wünschenswert erwiesen. Falls gewünscht, kann ein gegebenes Ausmaß von Defokussierung eingeführt werden. Strahlen mit weichem Fokus sind für Gl'lttungs- oder Vers chünerungs vorgänge nach Ausführung der Haupt schwä. ßunc erwünscht und können auch für gewisse zusammenge setzte Strukturen und Anwendungen bei dünnen Blechen verwendet werden.

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Claims

PATBNTAN WltTB » /O üZü3 NG. H. HATJCK · DIPL.-PHYS. W. SCHMITZ HAMBURG-MÜNCHEN ^ HAMBURG 3β·NEVER WAIt41 The Welding Institute Τϊι. 3*.7**β«κιημμ Abington Hall, nwei. mewmim ΐ«·«β Abington, Cambridge/England München is - mosartstb. as TEL.33SO5S· TSLBQR. NKOKDAPATKIfT mOHCHKN Anwaltsakte M-3^6 München, 25. April 1968 Patentansprüche

1. Verfahren zum Prüfen des Pokusslerungszustandes eines Elektronenstrahls für einen Elektronenstrahl-Schweißvorgang, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne metallische Sonde innerhalb der Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung angeordnet wird, daß der Sonde und dem innerhalb der Vorrichtung erzeugten Elektronenstrahl eine periodische Relativbewegung erteilt wird, bei der in jeder Periode die Sonde durch den Strahl bewegt wird, und daß ein elektrisches Signal, das von einer den Strahl schneidenden Auffängerelektrode abgeleitet wird und auf die periodische überschneidung von Sonde und Strahl zurückführende Veränderungen aufweist, zum Steuern einer Anzeigeeinrichtung oder zur Betätigung automatischer Fokussierelnrichtungen benutzt wird.

2. Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung mit einer Vakuumkammer, einer Elektronenkanone und einem Werkstückträger, gekennzeichnet durch eine in der N'ihe des zwischen der Elektronen-

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kanone und dem Werkstück verlaufenden Elektronenstrahlweges vorgesehene Sonde (13)₉ Mittel zur Erzeugung einer solchen periodischen Relativbewegung zwischen der Sonde und dem Strahl (36), daß die Sonde in jeder Periode der periodischen Relativbewegung durch den Strahl geht₃ wobei die Sonde so angeordnet ist, daß sie für den Elektronenstrahl eine dünne Kante darstellt, und eine auf ein elektrisches Signal, das von einer den Strahl schneidenden Auffängerelektrode (H2) abgeleitet wird und auf die periodische Überschneidung von Sonde und Strahl zurückzuführende Veränderungen aufweist, ansprechende Vorrichtung zur Steuerung einer die Energieverteilung im Strahl angebenden Anzeigeeinrichtung oder zur Einstellung des Strahlfokussierstromes zwecks Erzielung einer automatischen Fokussierung des Strahls.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch wenigstens zwei in Laufrichtung des Elektronenstrahls gegeneinander vers-etzte Sonden (13) zur Erzeugung von Signalen, die die Energieverteilung im Strahl (3β) an zwei verschiedenen Stellen des Strahlweges wiedergeben,

4. Vorrichtung nach Anspruch 3_S dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden auch in der Richtung der Relativbewegung von Sonde und Strahl gegeneinander versetzt sind, so daß die von den Sonden gelieferten Signale zeitlich gegeneinander verschoben sind.

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5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strahl schneidende Auffängerelektrode die Sonde selbst ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 öder ¹J, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strahl schneidende Auffängerelektrode so angeordnet ist, daß sie vom Strahl nach dessen Durchgang durch die Sonde geschnitten wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch eine derartige Lagerung der Sonde oder der Sonden, daß die Sonde eine Drehbewegung in einer pro Umlauf einmal durch den Strahl gehenden Bahn ausführen kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Referenzsignalgenerator mit einer Lichtquelle, einer photoelektrischen Einrichtung, einem mit den Sonden rotierenden Bestandteil, der so angeordnet ist, daß er das auf die photoelektrische Einrichtung fallende Licht in jedem Umlauf der Sonden einmal in seiner Intentisät verändert, und einer Kathodenstrahlröhre, der das Referenzsignal und das Sondensignal zugeführt werden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden (13) auf einem

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stationären Träger angebracht sind und die Vorrichtung Mittel aufweist, durch die der Elektronenstrahl periodisch So abgelenkt wird, daß er die stationären Sonden in jeder Periode einmal schneidet.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden auf einem stationären Träger angebracht sind und die Vorrichtung Mittel aufweist, durch die der Elektronenstrahl

so abgelenkt wird, daß er die stationären Sonden λ

in zeitlichen Abständen schneidet, die groß gegen die Ablenkperiode sind, so daß die Verteilung der Strahlenergie in zeitlichen Abständen während des Portschreitens eines Elektronenstrahl-Schweißvorganges überwacht werden kann.

11. Vorrichtung nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde so geformt ist, daß sie in verschiedenen Richtungen erstreckte Teile aufweist, und so angeordnet ist, daß der Elektronenstrahl bei seiner perio- ™ dinchen Ablenkung jeden der Teile der Sonde überquert, so daß die sich ergebenden Impulse die Verteilung der Strahl energie über den Strahlquerschnitt in verschiedenen Richtungen darstellen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Ablenkung des Strahls durch Deaufach]agen zweier den Strahl zueinander senkrechten

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Richtungen ablenkenden Strahlablenksysterne mit je einer Halbwelle eines Wechselstromes erzielt wird, wobei die beiden Halbwellen sich zeitlich um eine Viertelperiode überlappen, so daß die Ablenkung des Elektronenstrahls quadrantförmig wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde ein Wolframband ist, das so angeordnet ist, daß es dem Elektronenstrahl seine Kante darbietet.

14. Vorrichtung nach Anspruch 2 mit zwei Linsen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde in Höhe des oberen Crossover im Strahl angeordnet ist.

15· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1*1, gekennzeichnet durch auf das elektrische Signal, dessen Veränderungen auf die periodische übersch-neidung von Strahl und Sonde zurückführen sind, ansprechende Mittel zur automatischen Einstellung des Pokussierungsstromes in dem Sinn, daß das Signal, wenn es schwächer ist als sein Spitzenwert, auf seinen Spitzenwert zurückgeführt wird.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, zur

Verwendung für den Fall, daß die Sonde so angeordnet ist,

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BAD ORIGINAL

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ζ?

daß sie den Strahl an einem vorgegebenen Abstand oberhalb des gewünschten Fokus unterbricht, gekennzeichnet durch eine zum Einstellen des Strahl-Fokussierungs- stromes diendade Nullabgleich-Servoeinrichtung, die so angeschlossen ist, daß sie ein mit dem Abstand in Beziehung stehendes Referenzsignal empfängt.

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