DE19527048C2 - Einrichtung zur Durchführung elektronenstrahltechnologischer Prozesse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Durchführung elektronenstrahltechno­ logischer Prozesse im Vakuum, insbesondere zur Elektronenstrahloberflächen­ modifikation und zum Elektronenstrahlschweißen. Ein bevorzugtes Anwendungs­ gebiet sind Elektronenstrahlprozesse an Werkstücken, die in ihrer Längsabmes­ sung groß gegenüber ihren Querschnittsabmessungen sind, insbesondere Rohre und Profile, wie Führungsleisten.

Es ist bekannt, Vakuumkammern von Elektronenstrahlanlagen so zu dimensionie­ ren, daß alle für die Behandlung in diesen Anlagen vorgesehenen Werkstücke in der Vakuumkammer aufgenommen und prozeßspezifisch bewegt werden können. Diese Anlagen haben den Nachteil, daß für lange Werkstücke große bzw. der Werkstücklänge angepaßte Vakuumkammern mit einem entsprechend großen Volumen erforderlich sind. Die damit verbundenen langen Evakuierungszeiten wirken sich nachteilig auf die Produktivität solcher Anlagen aus. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Werkstücke, die zu einem späteren Zeitpunkt ei­ nem Elektronenstrahlprozeß unterzogen werden sollen und länger als die zur Verfügung stehende Vakuumkammer sind, nicht in dieser Elektronenstrahlanlage bearbeitet werden können.

Es wurde vorgeschlagen, Vakuumkammern mit Verlängerungs- oder Erweite­ rungsbaugruppen herzustellen, die in ihrer Längsausdehnung der Länge der Werkstücke angepaßt werden können. Das erfolgt derart, daß eine Vakuumkam­ mer, die alle zur Prozeßdurchführung notwendigen Baugruppen besitzt, ein- oder beidseitig durch Ansetzen weiterer Vakuumkammersegmente erweiterbar ist (DE 44 18 162 A1).

Es wurde weiterhin vorgeschlagen, um ein Mittelteil einer Vakuumkammer, wel­ ches alle zur Prozeßdurchführung notwendigen Baugruppen besitzt, ein- oder beidseitig mehrere Segmente derart anzuordnen, daß diese vakuumdicht inein­ ander bzw. übereinander schiebbar sind. Mit einer solchen Ausgestaltung läßt sich die Vakuumkammer an die Länge der zu behandelnden Werkstücke anpas­ sen (DE 44 18 161 A1).

Beide Lösungen haben jedoch den Nachteil, daß bei feststehender Elektronenka­ none die prozeßspezifische Bewegung vom Werkstück übernommen werden muß. Daraus folgt, daß bei einer Behandlung des Werkstückes in. Richtung seiner Längsausdehnung die Vakuumkammer doppelt so lang sein muß, wie das Werk­ stück. Auch mit einer in Längsrichtung beweglichen Elektronenkanone läßt sich dieser Nachteil nur unzureichend vermeiden, da es nicht möglich ist, die Elektro­ nenkanone über die gesamte Länge einer derart zusammensetzbaren oder erwei­ terbaren Vakuumkammer zu verfahren. Dadurch bedingt steigt der Evakuierungs­ aufwand stark an, womit der erreichbaren Dimension zu behandelnder Werkstü­ cke Grenzen gesetzt sind.

Es ist auch bekannt, sogenannte Nullrezipienten zu verwenden, d. h. die Vakuum­ kammer umschließt das Werkstück derart, daß das über das Werkstückvolumen hinausgehende zu evakuierende Volumen nahezu Null ist. Man erreicht dabei mit geringen Aufwand an Evakuierungstechnik sehr kurze Evakuierungszeiten. Der Einsatz von Nullrezipienten für lange Werkstücke ist aber ungünstig, da der Strö­ mungswiderstand bei der Evakuierung stark ansteigt, was wiederum eine Erhö­ hung der Evakuierungszeiten zur Folge hat, bzw. den Einsatz weiterer Evakuie­ rungstechnik erforderlich macht. Desweiteren kann mit einem Nullrezipienten nur ei­ ne vorbestimmte Werkstückgröße bearbeitet werden.

Es sind auch Spezialanlagen bekannt, die über kompliziert gestaltete Adapter auf Großteile aufgesetzt werden und sich auf diesen Teilen entlang der vorgegebenen Kontur bewegen. Diese Anlagen verlangen aber eine besondere geometrische Anpassung an die am Prozeßort vorhandene Oberfläche. Dabei ist über aufwen­ dige, an das spezielle Bauteil angepaßte Dichtungen die Evakuierbarkeit der zum Bauteil hin offenen Vakuumkammer zu gewährleisten. Weiterhin benötigen solche Anlagen zusätzliche Einrichtungen, die das Führen der Elektronenkanone, der Vakuumkammer, sowie der Versorgungseinrichtungen ermöglichen.

Diese Nachteile sind der Grund, weshalb in der Praxis solche Anlagen nur in Ausnahmefällen und nur für sehr große und teure Einzelteile eingesetzt werden.

Es ist weiterhin eine Einrichtung zum Elektronenstrahlschweißen bekannt, welche nur den Bereich des zu schweißenden Werkstückes aufnimmt. Das Werkstück wird durch eine vakuumdichte Durchführung in die Vakuumkammer eingebracht und ist in der Durch­ führung bewegbar. Dadurch ist es möglich, kleinere Vakuumkammern zu verwenden (Leybold-Heraeus GmbH, 62-120.2, ESW 15/3-60). Der Nachteil besteht jedoch darin, dass der aus der Vakuumkammer ragende Teil des Werkstückes von einer Vorrichtung zur Werkstückhandhabung aufgenommen werden muss, so dass sich die zu schweißenden Werkstücke auf kleine Werkstückabmessungen beschränken.

Es ist weiterhin bekannt, zwei Rohre in einem Rezipienten stirnseitig zu verschweißen, indem die Elektronenkanone um die feststehenden Rohre rotiert (GB 13 70 442). Diese Einrichtung ist außerdem nur für einen jeweilig bestimmten Rohrdurchmesser anwendbar.

Es ist auch bekannt, für das Verschweißen von zwei Rohren diese im Rezipienten an beiden Seiten über Dichtungen einzuführen und in Rotation zu versetzen. Die zu erzeugende Schweißnaht wird unter der feststehenden Elektronenkanone positioniert (JP-A-55-112 187). Auch diese Lösung ist auf einen bestimmten Rohrdurchmesser abgestellt.

Beiden Lösungen ist gemeinsam - bedingt dadurch, dass sie zum Verschweißen von Rohrleitungen, wie es bei der Verlegung von Rohrsträngen, z. B. Pipelinen, erforderlich ist, vorgesehen sind - eine Einrichtung zu schaffen, die nur für einen bestimmten Rohr­ durchmesser ausgelegt, leicht handhabbar und ortsveränderlich einsetzbar ist. Sie sind nicht für beliebige Querschnitte und Profile einsetzbar.

Die bekannten Einrichtungen haben gemeinsam den Nachteil, daß sie die Ausfüh­ rung elektronenstrahltechnologischer Prozesse an langgestreckten Werkstücken, vorzugsweise an Rohren oder Profilen nicht oder nur mit unverhältnismäßig gro­ ßem Aufwand ermöglichen, indem ein großer apparativer Aufwand, wie z. B. Er­ weiterungsbaugruppen, zusätzliche Evakuierungstechnik und zusätzliche Einrich­ tungen zur Bauteilhandhabung oder teure Sonderkonstruktionen für einzelne Bauteile, erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Durchführung elektronenstrahltechnologischer Prozesse im Vakuum zu schaffen, die eine Va­ kuumkammer mit nur kleinem evakuierbaren Volumen erfordert und trotzdem für Werkstücke mit verschieden großen Längen geeignet ist, d. h. für Werkstücke, die im Verhältnis zu ihrem Querschnitt eine große Längsausdehnung aufweisen. Es soll außerdem möglich sein, derartige Werkstücke in bereits vorhandenen Einrich­ tungen, in denen sie bisher infolge ihrer Länge nicht von der Vakuumkammer auf­ genommen werden konnten, zu behandeln. Lange Werkstücke sollen abschnitts­ weise bearbeitbar sein. Es soll weiterhin möglich sein, derartig langgestreckte Werkstücke nur an den Enden oder Stirnseiten mit dem Elektronenstrahl zu be­ handeln, ohne daß die Vakuumkammer der gesamten Werkstücklänge angepaßt werden muß.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Einrichtung sind in den Patentan­ sprüchen 2 bis 6 beschrieben.

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den Vorteil, daß für die Durchfüh­ rung von Elektronenstrahlprozessen an langen Werkstücken die Vakuumkammer nicht das Werkstück in seiner gesamten Länge aufnehmen muß, sondern nur den Bereich, der behandelt werden soll. Dabei können sich mehrere Bereiche lücken­ los aneinander anschließen oder die Bereiche sind im Abstand voneinander vor­ gegeben. Die Vakuumkammer ist in Bewegungsrichtung der zu behandelnden Werkstücke nur so lang ausgeführt, damit der Bereich, der in einem Prozeßschritt vom Elektronenstrahl zu behandeln ist, aufgenommen werden kann. Vorhandene Einrichtungen, die nicht zur Aufnahme des Werkstückes in seiner gesamten Län­ ge geeignet sind, können verwendet werden, wenn deren Vakuumkammer nur so lang ist, daß sie der Länge des Bereiches des Werkstückes entspricht, der vom Elektronenstrahl zu behandeln ist.

Die erfindungsgemäße Durchführung zum vakuumdichten Einführen des Werkstücks in die Vakuum­ kammer enthält als eine Baugruppe die Spannvorrichtung, eine Dichtung für das jeweils zu bearbeitende Werkstück und ein Antriebselement zur Durchfüh­ rung der translatorischen und rotatorischen Bewegung des Werkstückes über einen an sich bekannten Antrieb. Diese Baugruppe ist leicht auswechselbar und an den Querschnitt des Werkstückes anpaßbar.

Es ist zweckmäßig, die Durchführung an einer Stirnseite oder einer Tür der Vaku­ umkammer anzuordnen. So kann es auch zweckmäßig sein, besonders bei Null­ rezipienten, die Durchführung und die Vakuumkammer so zu gestalten, daß die Durchführung die Stirnseite bildet.

Bei der Lösung bestimmter Bearbeitungsaufgaben, z. B. Härten der Stirnflächen von Wellen, ist es zweckmäßig, die Durchführung auf der der Elektronenkanone gegenüberliegenden Fläche anzuordnen, so daß das Werkstück entgegen der Strahlrichtung eingebracht wird.

Verwendet man das Prinzip des sogenannten Nullrezipienten, das bedeutet, daß der Querschnitt der Vakuumkammer dem Querschnitt der zu bearbeitenden Werkstücke weitestgehend angepaßt ist, kann die Vakuumkammer im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen wesentlich kleiner ausgeführt werden. Im gleichen Maße verringert sich das zu evakuierende Volumen, so daß die Evakuierungs­ technik für die Vakuumkammer kleiner dimensioniert werden kann. Dadurch wer­ den die Kosten für eine solche Einrichtung und die Nebenzeiten gesenkt, was zu einer Steigerung der Produktivität führt. Für eine Bearbeitung von hohen Stück­ zahlen ist diese Ausführungsform der Einrichtung besonders zweckmäßig.

Bei vorhandenen Einrichtungen, in denen die Werkstücke infolge ihrer Längsab­ messung bisher nicht von der Vakuumkammer er aufgenommen werden konnten, ist durch die erfindungsgemäße Anordnung der Durchführung an einer Fläche der Vakuumkammer, zweckmäßigerweise der Tür, die Möglichkeit gegeben, nunmehr auch lange Werkstücke zu bearbeiten, wenn die Vakuumkammer nur so lang ist, daß der vom Elektronenstrahl zu beaufschlagende Bereich in die Vakuumkammer eingebracht werden kann. Der Vorteil besteht darin, daß dadurch die Einsatzmöglichkeiten ei­ ner vorhandenen Einrichtung erhöht werden, ohne dass eine größere Vakuum­ kammer mit dazugehöriger Evakuierungstechnik erforderlich wird oder die Vaku­ umkammer durch zusätzliche Anbauten vergrößert werden muß.

Bei der Bearbeitung von Hohlprofilen wird durch eine entsprechende Vakuum­ dichtung ein Ende des Werkstückes innerhalb oder außerhalb der Vakuumkam­ mer abgedichtet.

Vorteilhafterweise kann die Dichtung in der Durchführung für einfache Querschnit­ te als aufblasbarer Schlauch ausgebildet sein. Dadurch ist es möglich, daß dieser für mehrere Querschnittsgrößen von Werkstücken verwendbar ist.

Es kann aber auch zweckmäßig sein, das Führungselement in der Vakuumkam­ mer so auszubilden, daß es gleichzeitig für die Abdichtung von Hohlprofilen ge­ eignet ist.

An zwei Ausführungsbeispielen wird die Er­ findung näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1: einen Schnitt durch eine Einrichtung zur Bearbeitung langer Werkstücke mit einer dem Querschnitt des Werkstückes angepaßten Vakuumkammer,

Fig. 2: einen Schnitt durch eine vorhandene Einrichtung, die für die Bearbeitung langer Werkstücke erweitert ist,

Fig. 3: einen Halbschnitt durch eine Durchführung in der Wand der Vakuum­ kammer

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zum Elektronenstrahlhärten von langen Werkstücken 1, nach der Ausführungsform der Einrichtung mit einer dem Werkstück 1 ange­ paßten Vakuumkammer 2. Das Werkstück 1 ist eine Hohlwelle (Rohr), deren En­ den in einem kurzen Bereich, in dem sie gelagert wird, mit dem Elektronenstrahl 3 gehärtet werden. Auf der Vakuumkammer 2 ist eine Elektronenkanone 4 ange­ ordnet, die den Elektronenstrahl 3 erzeugt. Eine Evakuierungseinrichtung 5 zur Erzeugung des notwendigen Arbeitsdruckes ist an die Vakuumkammer 1 ange­ schlossen.

An einer Stirnseite der Vakuumkammer 2 ist eine Durchführung 6 angeflanscht, die die Vakuumkammer 2 vakuumdicht abschließt. Die Durchführung 6 ist in Fig. 3 näher beschrieben. Das an den Enden zu härtende Werkstück 1 wird derart durch die Durchführung 6 in die Vakuumkammer 2 eingebracht, daß jeweils der auf je­ der Seite zu härtende Bereich vom Elektronenstrahl 3 beaufschlagt werden kann. Zur Führung des Werkstückes 1 sind außerhalb der Vakuumkammer 2 Führungs­ elemente 7 angeordnet. Durch ein speziell ausgebildetes Führungselement 8, das in der Vakuumkammer 2 angeordnet ist, wird das Werkstück 1 gelagert und zugleich gegen den Atmosphärendruck abgedichtet. Nach der Evakuierung der Vakuumkammer 2 auf Arbeitsdruck, wird das Werkstück 1 in bekannter Weise durch Beaufschlagung mit dem Elektronenstrahl 3 gehärtet. Die für eine Härtung des Umfangs erforderliche Drehbewegung des Werkstückes 1 wird durch ein mit der Durchführung 6 kombiniertes Antriebselement 9 realisiert. Die Steuerung und Ablenkung des Elektronenstrahls 3 wird in Abhängigkeit von der Werkstückbewe­ gung in bekannter Weise programmiert.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Einrichtung zum Elektronenstrahlhärten unter Einbeziehung einer vorhandenen Einrichtung für die Bearbeitung beliebiger Werkstücke, deren Vakuumkammer 2 an sich nicht zweckmäßig zur Bearbeitung von Werkstücken großer Länge ausgeführt ist. D. h. die Vakuumkammer 2 ist nicht geeignet, die Werkstücke 1 in ihrer Länge aufzunehmen. Das zu bearbeitende Werkstück 1 ist ein Rohr.

Die Vakuumkammer 2 ist üblicherweise an einer Stirnseite durch eine Tür 10 ver­ schließbar. Auf der Vakuumkammer 2 ist in Längsrichtung der Vakuumkammer 2 beweglich die Elektronenkanone 4 angeordnet und eine Evakuierungseinrichtung 5 zur Erzeugung des notwendigen Arbeitsdruckes angeschlossen. In der Vaku­ umkammer 2 ist eine Werkstückaufnahme 11 zur Führung und Abstützung des Werkstückes 1 angeordnet.

Durch die erfindungsgemäße Erweiterung der Einrichtung mit dem Einbau einer Durchführung 6 in die Tür 10 der Vakuumkammer 2, sowie der Anordnung von Führungselementen 7 außerhalb der Vakuumkammer 2 in Verbindung mit dem Antriebselement 9, welches mit der Durchführung 6 kombiniert ist, ist die Härtung der Endbereiche des Werkstückes 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durchführbar.

Durch die Durchführung 6 wird das Werkstück 1 in die Vakuumkammer 2 einge­ bracht, ohne das dazu die Tür 10 geöffnet werden muß. Die Abdichtung des Werkstückes 1 gegen den Atmosphärendruck erfolgt durch eine Kappe 12, wel­ che das Werkstückende vakuumdicht verschließt. Durch Fixierung des Werkstüc­ kes 1 in der Durchführung 6 wird die schlupffreie, prozeßspezifische Drehbewe­ gung des Werkstückes 1 ermöglicht.

Fig. 3 zeigt eine Durchführung 6, als eine Baugruppe die für beide Ausführungsformen geeignet ist. Ihr als Flansch ausgebildeter Außenring 13 ist an der Vakuumkammer 2 in be­ kannter Weise auswechselbar und vakuumdicht befestigt. Im Außenring 13 ist drehbar und vakuumdicht ein Innenring 14 gelagert, welcher über einen Zahn­ kranz 15 von einem bekannten Antrieb (hier nicht gezeichnet) angetrieben wird. Im Innenring 14 ist einem, dem Werkstückquerschnitt angepaßten Formstück 16 befestigt, wel­ ches eine aufblasbare Dichtung 17 und eine Spannvorrichtung 18 aufnimmt. (Alle für die Funktion erforderlichen Dichtungen und Lager als integraler Bestandteil der Durchführung 6 sind nicht gezeichnet.)

Zur Bearbeitung wird, wie bereits beschrieben, das Werkstück 1 durch die Durchführung 6 in die Vakuumkammer 2 eingebracht. Nachdem das Werkstück 1 in der Spannvorrichtung 18 fixiert wurde, wird durch das Aufblasen der Dichtung 17 das Werkstück 1 vakuumdicht über den gesamten Umfang abgedichtet.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Durchführung elektronenstrahltechnologischer Prozesse an Werkstücken, bestehend aus einer Vakuumkammer, deren Querschnitt annähernd dem Querschnitt der zu bearbeitenden Werkstücke entspricht, deren Länge der Ausdehnung des in einem Prozessschritt vom Elektronenstrahl zu beaufschlagenden Bereiches angepasst ist, einer an der Vakuumkammer fest oder beweglich angeordneten Elektronenkanone, Evakuierungseinrichtungen, Stromerzeugungs­ einrichtungen, Steuer- und Kontrolleinrichtungen, Führungs- und/oder Antriebs­ elementen und einer Durchführung (6), die an einer Seite der Vakuumkammer (2) zum vakuumdichten Einführen des Werkstückes (1) angeordnet und für eine rotatorische und translatorische Werkstückbewegung geeignet ist, wobei die Durchführung (6) aus einem Außenring (13), der vakuumdicht über lösbare Verbindungselemente an der Vakuum­ kammer (2) befestigt ist, einem in den Außenring vakuumdicht eingesetzten und mit einem Antriebselement für eine translatorische und rotatorische Bewegung verbundenen Innenring (14), einem in den Innenring eingesetzten und an den Querschnitt des Werkstückes angepassten Formstück (16), einer zwischen Werkstück und Formstück befindlichen, das Werkstück umschließenden Dichtung (17) und einer das Werkstück im Formstück fixierenden Spannvorrichtung (18) besteht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere die Spannvorrichtung (18) und die Dichtung (17) der Durchführung (6) entsprechend dem Querschnitt des Werkstückes (1) ausgeführt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (17) ein aufblasbarer Schlauch ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Werkstücken (1), die Hohlprofile sind, auf einer Stirnseite des Werkstückes (1) eine Kappe (12) vaku­ umdicht aufgebracht ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (12) zugleich als Führungselement ausgebildet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung (6) an einer Tür (10) der Vakuumkammer (2) angeordnet ist.