DE2013255A1 - Electron beam/laser machining - Google Patents

Description

• Bezeichnung: Verfahren zum Schneiden, Schweißen oder Bohren von Werkstücken aus Metall oder Kunststoff Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden, Schweißen oder Bohren von Werkstücken aus Metall oder Kunststoff mittels eines Elektronen- oder liaserstrahis.
• In der nachf olgenden Beschreibung wird auf ein Verfahren Bezug genommen, nach welchem es bekannt ist, Werkstücke mit Hilfe von Elektronenstrahlen oder Laserstrahlen zu bearbeiten.
• In der Verfahrenstechnik zur Materialbearbeitung werden derartige Strahlen eingesetzt, wodurch eine größtmögliche Wirtschaftlichkeit und vorteilhafte Baarbeitungamöglichkeit insbesondere in der Feinwerktechnik erzielt wird.
• Es ist bekannt, Elektronenstrahlen als Wärmequelle zu verwenden, indem man diese eng gebündelt und unter einer sehr hohen Beschleunigungsspannung auf das zu bearbeitende Werkstück richtet. Durch den sehr feinen Elektronenstrahl ist es möglich, genaue und gezielte Schweinähte, Bohrungen oder Trennfugen zu erzeugen. Durch die konzentriert auftretende Hitzeeinwirkung ist an dem Bearbeitungsvorgang nur ein sehr eng begrenzter Bezirk des materials beteiligt.
• Zur Schonung der unmittelbaren Umgebung der Auftreffstelle wird deshalb der Elektronenstrahl nur zeitweilig, also impulsförmig moduliert, um die Einwirkungsdauer steuern zu können.
• Zur Erzeugung des Elektronenstrahls werden bekanntermalen sogenannte Elektronenstrahlgeneratoren eingesetzt, die im Prinzip aus einer Triode bestehen. Die von einer Glühkatode emittierten Elektronen erde durch eine gegeniber dieser auf einem hohen positiven Potential liegende Anode auf eine große Geschwindigkeit gebracht.
• Zur Steuerung des Elektronensystems befindet sich eine Art Wehnelt-Zylinder zwischen Katode und Anode. Die Anode besitzt eine Mittelbohrung, durch die die Elektronen mit hoher Geschwindigkeit durchtreten. Zur weiteren Beeinflussung des Elektronenstrahls durchluft dieser ein steuerbares Magnetfeld zur Fokussierung. Außerdem enthält die Anordnung ein Ablenksystem, mit dem der Strahl in zwei senkrechten zueinanderstehenden Koordinaten in Grenzen abgelenkt werden kann, bevor er das ebenfalls im Vakuum befindliche werkstück trifft.
• Durch die starke Bündelung des klektronenstrahle im sogenannten Brennfleck, dessen Durchmesser bei richtiger Justierung nur wenige/um beträgt, entstehen Leistungsdichten bis zu mehreren 109 W/cm2. Wird die Oberfläche des werkstückes in cien Bereich dieses Brennfleckes gebracht, kann diese dem jeweiligen Zweck entsprechend bearbeitet werden. Die Genauigkeit der Bearbeitung hängt von der Führung der Oberfläche unter dem Brennpunkt des gebündelten lektronenstrahles ab. Dazu muß gewährleistet sein, daß der Elektronenstrahl zu jedem Zeitpunkt optimal-fokussiert ist.- In der bisher üblichen Technik wird ein Wolfram-Scheibchen in den Strahlengang- in Höhe der Bearbeitungsfläche eingeschwenkt. Die Fokussierung wird dann durch Verändern des Steuerstromes in der ßlektrotenlinse derart vorgenommen, daß auf dem Wolfram-Scheibchen der -Leuchtflec optisch uen kleinsten Durchmesser besitzt.
• Diese Einstellung kann aber jeweils nur für einen Mittelwert gelten. Eine Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die Fokussierung automatisch zu jedem Zeitpunkt des Bearbeitungsverfahrens optimal einzustellen.
• Beim Schweißen von zwei Teilen muß der Brennfleck immer der Trennfuge zwischen den Teilen entlang geführt werden. Das geschieht üblicherweise dadurch, daß durch gemeinsames Verschieben der Teile der Strahl in der Fuge entlanggeführt wird, indem der Bearteitungstisch in senkrecht zueinander stehenden Richtungen von Hand gesteuert wird. Es ist deshalb eine weitere Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens, diese Steuerung derart zu gestalten, daß der Strahl automatisch der Trennfuge entlang geführt wird. Das Verfahren zum Bearbeiten von ':erkstücken aus Metall oder Kunststoff, z.B. Schneiden, Bohren oder Schweißen mittels eines Elektronen- oder Laserstrahls, dessen Brennpunkt durch Ablenkmittel in drei Raumkoordinaten bewegbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß zur automatischen Führung des Brennpunktes des Elektronen- bzw. Laserstrahls dieser in der x-Koordinate periodisch mit Frequenz f1 und in der y-Koordinate periodisch mit der Frequenz f2 und in der Z-Koordinate synchron mit den igna1toren für die gegeneinandergesehalteten Hälften eines Brückendemodulators periodisch mit der Frequenz f3 ausgelenkt wird wobei eine Sonde die entstehende, oberwellenhaltige Sekundärstrahlung aufnimmt und ein dieser proportionales Signal über erstens je einen Selektivverstärker für die Grundschwingung von f1 bzw. für die Grundschwingung von f2 der Sekundärstrahlung Je einem Synchrondemodulator mit der Frequenz f1 der x-Koordinate bzw. f2 der y-Koordinate zusammen mit dem entsprechenden Modulationesignal, das als Referenzeignal dient, zuführt, und die in bekannt Weise durch Phssenvergleich eine Steuerspannung über Je einen verstärker für einen Stellmotor zur Nachführung des Werkstücks in x- und y-Richtung liefern und über zweitens einen Bandpaßverstärker mit einem durch laßbereich für die Oberwellen der Sekundärstrahlung zwei gleichen Verstärkern zuführt, die alternierend m@@t der Frequenz f3 getastet und das@ Regang@@pann@ngen in einem Bräckendemodtlate @erglichen @erden und die @tatehende Differ@azspa@@ung ü@e einen Varstarker den Ko@rekturstrom @@ @@ @kussief@ng in der z-Koordinate erzeugt.
• Die Sekandärstrahlung kann aus Licht-, Röntgen- oder elektronischen Strahlen oder anderen el@ktromagnetiechen Wellenstrshlungen bestehen.
• I@ 19@ nachfolgenden Beschreibung soll an einem Beisoiel für das Schweißen mit hilfe der figuren 1 bis 13 das @@ @indangsgemäRe Verf@bi in näher erläutert werden.
• Hierbei zeigen die Figur 1 eineElektronenstrahlkanone üblicher Bauart Figur 2 eine Blockschaltbild zur Durchführung des angemeldeten Verfahrens Figur 3a den Kurvenverlauf einer beliebigen Schweißnaht in-eier Bearbeitungsebene x y figur ßb eine Ausschnittvergrößerung der Figur 3a Figur 4 den zeitlichen Verlauf der von der Sonde abgegebenen Spannung Figur 5 das Amplitudenspektrum der Spannung nach Figur 4 Figur 6 die Durchlaßkurve eines ersten Verstärkers Fogur 7 den Signalverlauf der automatischen Fokussierungssteuerung Figur 8 die Durchlaßkure eines zweiten Verstärkers Figur 9a Signalverlauf bei automatisch symmetrischer Fokussierung (Iist # Isoll) Figur 9b Signalverlauf bei automatischer symmetrischer Fokussierung (Iist = Isoll) Figur 10a Signalverlauf bei automatischer unsymmetrischer Fokussierung (Iist # Isoll) nach oben Figur 10b Signalverlauf bei automatischer unsymmetrischer Fokussierung <1ist ( 16011Y nach oben Pigur lla Signalverlauf bei automatischer unsymmetrischer fokussierung 9Iist # Isoll) nach unten Pigur lib Signalverlauf bei automatischer unsymmetrischer Fokussierung (Iist = Isoll) nach unten Pigur 12 Signalgenerator Figur 13 Imnpulsschema In figur 1 ist schoiatisch der Auf bau der erwähnten EleXtronenatrahlenkanone gezeigt. Die von der Glühcatode 1 emittiertca Elektronen werden von der Anode 2 auf eine hohe Geschwindigkeit gebracht, wobei die Anode meint auf Massepotential und die Katode auf negativem Potential von ca. 150 KV liegt. Eine Wehnelt-Elektrode 3 dient zur Steuerung des Elektronenstrahls, der durch die Ablenkspulen 4 in den s- und y-Koordinaten bewegbar ist. Zur Fokussierung dient die Blektronenlinse 5.
• In der Pigur 1 sind die drei Raumkoordinaten x und y, in denen das Werkstück 6 und z,in der der Brennpunkt des Elektronenstrahls bewegbar ist, eingezeichnet.
• Die zur automatischen Pübrung und Fokussierung des Brennpunktes des Elektronenstrahls erforderliche Schaltung ist in der Form eines Blockschaltbildes nach Pigur 2 dargestellt für den Pall, daß f1 gleich ist.
• Eine von einem Oszillator 7 erzeugte sinusförmige Schwingung von Z.B. 10 kHz wird über eine Modulationsstufe 8 einem Verstärker 9 direkt zugeführt, welcher den für die x-Koordinate erforderlichen Ablenkatrom Ix liefert. Es sei angenommen, daß die Schwingung von Oszillator 7 gleichzeitig über ein um 900 phasendrehendes Glied 10 über eine zweite Modulationestufe 11 einem Verstärker 12 zugeführt wird, welcher für die y-Koordinate den erforderlichen Ablenkstrom Iy liefert. Bei gleicher Amplitude der Ablenkströme entsteht bei symmetrischem Auf bau der t- und y-Ablenksysteme eine kreisfrmige Ablenkung für den Elektronenstrahl. diese kreisförmige Ablenkung kann während des Arbeitsablaufs dauernd vorhanden sein oder, wie'itii Blockschaltbild angedeutet, können die Schwingungen durch einen Impulsgenerator 13 getastet werden. Vorzugsweise sollte das Tastverhältnis in der Größenordnung von 1 t 20 liegen, um möglichst wenig den Bearbeitungsvorgang zu stören.
• Zur weiteren Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Sonde 14 vorgesehen, die die von dem lektronenstrahl verursachte Bekundärstrahlung auffängt und ein dieser proportionales gnal dem Verstärker 15 zuführt. Als Sonden sind Z.B. auch Geiger-Zähler, Szintillationszähler zum Auffangen von Röntgenstrahlen oder anderen elektromagnetischen Schwingungen oder Fotovervielfacher, Fotodioden, Fototransistoren für Infrarot.
• Strahlung oder sichtbares Licht denkbar.
• Der Verstärker 15 verstärkt aus dem oberwellenhaltigen Sondensignal die Grundschwingung (Pigur 6) und führt diese zwei Synchrondemodlutoren 16, 17 zu, denen als Referenzschwingung das der s- bzw. y-Koordinate entsprechende Modulationssignal zugeleitet wird. Auf diese Weise wird das Sondensignal nach den beiden Koordinaten x und y in den beiden Verstärkern 18, 19 verstärkt, so daß bei Phasenabweichung zwischen der Frequenz der Grundschwingung des Sondensignals und den Referenzschwingun'ge,n Korrektursignale für die Antriebsmotoren Mx , My entstehen, die den Arbeitstisch mit dem Werkstück soweit verschieben, bis dieses sich wieder in Sollage befindet.
• Es handelt sich bei diesem Vorgang um eine automatische Nachführung des Werkstücke, wrss mit Hilfe der Figu@ 3 am Beispiel einer Schweißnaht verdeutlicht werden soll.
• In Pigur 3a ist der willktirlich in der Arbeitsebene x y des Werkstücks angenommene Verlauf einer zu schwei-Senden Fuge 20 gezeigt, entlang welcher der Elektronenstrahl gefährt werden soll. Ia allgemeinen wird die aa die Fuge angelegte Tangente einen Winkel 4 mit der x-Koordinate einschließen.
• In Figur 3b sind in einer Ausschnittvergrößerung der Figur 3s die Verhältnisse deutlicher herausgestellt.
• Es sind zwei Teile 21, 22 gezeigt, die von dem Elektronenstrahl zusammengeschweißt werden sollen, was durch die schraffierte Puge 20a angedeutet ist.
• Erfindungsgemäß wird der Elektronanstrahl Z.B. kreisförmig über die Fuge 20 geführt; die in der Nähe @es Auftreffpunktes des Elektronenstrahles angebrachte sonde nimmt die Sekundärelektronen@trahlung dui und @@ldet eine dieser proportional Apannung. Da @er Elektronenstrenl periodisch über di@ noch nicht geachweißte Fug@ streift, ände@t si@2 impulsartig mit der Frequenz der kreisförmigen Ablenkung des Elektronenstrahles die Sekundärstrahlung. Der zeitliche Verlauf dieser Spannung ist in Figur 4 dargestellt. Diese periodische Signalspannung ist oberwellenhaltig, das entsprechonde Frequenzspaktr@@ zeigt Rigur 5. Der Oberwellengehelt lot abhängig vor. der Tiefe der Modulation der sondenspannung nach Äigur 4 und diese wiederum von der Fekussierung des Strahl@. Von diesem Frequenzspektrum wird im Verstärte@ @@r die Grundwelle verst@rkt und gege@@get. Weicht die Lage des nicht ausgelenkten Fl@ktronsnetrahle von der Mitte der Fuge ab, ergibt sich aus dem Bondensignal eine abweichende Phasenlage an den Sgachrondemodulatoren 16, 17-derart, daß diese in Zuaammonwirken mit der zugeführten Referenzphase ftir die x- bzw. g-Eoordinate ein Steuersignal für die Antriebsmotoren bzw. zur Nach.
• führung des Werkatückes abgeben.
• Nachdem die automatische Führung des Werkstückes ein der x- und y-Koordinate besprochen wurde, soll einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens die automatische Fokussierung des Brennpunktes in der z-Koordinate mit Hilfe der Figuren 7 bis 11 näher erläutert werden. In Figur 7 ist die seitliche Zuordnung von Impulsen gezeigt, die von einem Taktgenerator an die verschiedenen Stufen geführt sind.
• Zur automatischen Fokussierung wird erfindungsgemäß eine alternierende Impulsspannung U2 an einen Verstärker 23 gegeben, der den Fokussierstrom periodisch won-einem Mittelwert aus erhöht und erniedrigt. Im gleichen Rhythmus werden von dem Impulsgenerator 15 durch alternierende Impulsfolgen zwei Verstärker 24, 25 wechselseitig getastet, die ein vom Sondensignal geliefert es Oberwellengemisch im Verstärker 26 verstärken und auf den Brückendemodulator geben. Der Verstärker 26 hat eine lurchlaßkurve nach Pigur 8. Die Eckfrequenzen dieses Bandpasses sind zweckmäßigerweise etwa gegeben mit dem 5- und dem 50-fachen der Grundfrequenz des periodischen Signale (Modulationssignl). Der Brückendemodulator 27 vergleicht de beiden Ausgangsspannungen der beiden Verstärker und gibt die daraus gewonnene Differenzspannung über einen Tiefpaß. 28 an den Verstärker 23 für den Fokuatrom. Iz.
• Pigur 9a zeigt den Prall, daß der Fokusstrom noch nicht mit dem optimalen Wert übereinstimmt. Der Brennpunkt liegt - wie gezeigt - noch oberhalb der Sollage.
• Bei symmetrischer Erhöhung und Erniedrigung des Pokusstromes um einen Nittelwert, bewegt sich der Brennpunkt auf der z-Koordinate auf und ab. Beim Überstreichen der zu schweißenden Puge entsteht deshalb ein mehr oder weniger großes Sondensignal mit mehr oder weniger großem Oberwellengehalt, wie in Figur 9a dargestellt. Beim Durchlauten eines Bondpasses und Vergleich im Brückendemodulator 27 entsteht eine Differenzspannung, die einen Korrekturstrom für die Pokussierung verursacht.
• Figur 9b zeigt die gleichen Verhältnisse für den Fall, daß die Regelung fUr den richtigen Wert des Fokusstromes erfolgt ist. Es kann für die Praxis unter Umständen notwenig werden, daß der Fokus bewußt oberhalb oder auch unterhalb der mittleren zu bearbeitenden Oberfläche zu liegen kommen soll. Für diesen Fall ist eine sogenannte unsymmetrische Fokustastung vortielhaft. Erfindungsgemäß wird in diesem Fall die Lage des Fokus vom Mittelwert der Oberfläche längs der Flächennormalen unsymmetrisoh verschoben. Wenn die Brennweite der Pokuslinse während der Tastung, d.h. während des Meßvorganges stärker verlängert al verkürzt wird (Pigur 10a), verschiebt sich durch die Automatik der mittlere Fokus von der Oberfläche des Werkstüoka nach außen (Figur 10b). Wenn die Brennweite der Fokuslinse während der Tastung, d.h.
• während des Meßvorganges stärker verkürzt als verlängert wird (Figur lla) verschiebt sich durch die Automatik der mittlere Fokus in das Werkstück hinein (Figur 11b).
• Die 'figuren 10b und 19b zeigen die Verhältnisse im geregelten Zustand. Die Fokusautomatik ist bestrebt, den Fokus für den nichtgetasteten Arbeitsbereich derart einzustellen, daß die beiden für die Gewinnung der Meßsignale getasteten Fokuslagen zu beiden Seiten der mittleren Oberflächen des Werkstücks spiegrelbildlich zu liegen kommen.
• Voraussetzung für die automatische Fokussierung'ist die Existenz von Unebenheiten auf der Oberfläche, wie sie beispielsweise beim kreisförmigen Ablenken des Elektronenstrahls während des Schweißens der Fuge zwischen zwei werkstücken gegeben ist. Durch zeitliche Steuerung des Ablenksignals und des Linsenstroms mit kleinen Tastverhältnissen, wird in Verbindung mit einer gleich zeitigen, impulsartigen Herabsetzung des Stromstrahls vermieden, daß diese Steuersuchsignale auf dem Werkstück nennenswerte Spuren hinterlassen0 Wie in Figur 2 angedeutet, kann die Intensität des Llektronenstrahls in der Ælektronenstrahlkanone 30 durch den Impulsgenerator 27 über einen Verstärker 29 während der Meßphase abgeschwächt werden.
• Zur synchronen Steuerung der automatischen Führung des Brennpunktes und zur Erzeugung der für das Verfahren notwendigen Torsignale ist ein Impulsgenerator 13 vorgesehen, wie er z.B. in Figur 12 dargestellt ist.
• Die in Figur 12 eingetragenen Positionen beziehen sich auf die an den betreffenden Stellen anliegenden Signale, wie sie unter der gleichen Numerierung in Figur 13 für die einzelnen Ausgänge herausgezeichnet sind.
• Zur Verbesserung der automatischen Steuerung des Brennpunktes kann es vorteilhaft sein, die Größe ds z.B. vom Brennpunkt beschriebenen Kreises derart zu regeln, daß der Radius vergrößert wird, wenn der Brennpunkt die Fuge noch nicht erreicht oder z.B. durch schnelle Richtungsänderung der Fuge diese verlassen hat und beim Auftreffen auf die Fuge automatisch wieder auf seinen optimalen kleinen Wert gebracht wird.
• Hierdurch ist eine selbsttätige Anpassung des Suchkreises an die geometrischen Abmessungen der Fuge möglich.

Claims (1)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zum Bearbeiten, z.B. Schneiden, Bohren oder Schweißen und/oder Messen von Werkstücken aus Metall oder Kunststoff, mittels eines Elektronén- oder Laserstrahls, dessen Brennpunkt durch Ablenkmittel in drei Rauiakoordinaten x, y, z bewegbar ist, wobei die z-Koordinate mit der Richtung des nicht ausgelenkten, unmodulierten Strahls zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, daß zur automatisches Führung des Brennpunktes des Elektronen- bzw. Laserstrahls dieser in der x-Xoordinate periodisch mit Frequenz !1 und in der y-Koordinate periodisch mit der Frequenz i2 und in der z-Koordniate synchron mit den Signaltoren fur die gegeneinandergeschalteten Hälften eines Brückendemodulstors (,27) periodisch mit der Frequenz f3 ausgelenkt wird, wobei eine Sonde (14) die entstehende, oberwellenhaltige Sekundärstrahlung aufnimmt, und ein dieser proportionales Signal über erstens je einen Selektivverstärker (15) für die Grundschwingung von f1 bzw. für die Grundschwingung von f2 der Sekundärstrahlung Je einem Synchrondemodulator' (16, 17) mit der Frequenz f1 der x-Koordinate bzw. f2 der y-Koordinate zusammen mit dem entsprechenden Modulationssignal, das als Referenzsignal dient, zuführt, und die in bekannter Weise durch Phasenvergleich eine Steuerspannung über Je einen der stärker (18, 19) für einen Stellmotor (Mx;My) zur Nachführung des Werkstücks (6) in x- und y-Richtung liefern und über zweiten. einen Bandpaßvberstärker (26) mit einem Durohlaßbereich für die Oberwellen der Sekundärstrahlung zwei gleichen Verstärkeren (24, 25) zufihrt, die alternierend mit der Frequenz r3 getestet und deren Ausgangsspannungen in einem Brückendemodulstor (27) verglichen werden und die entstehende Differensspannung über einen Verstärker (23) den Korrekturstrom für die Fokussierung in der Z-Koordinate erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen für die Auslenkung in der x-Koordinste und für die Auslenkung in der y-Koordinate gleich eroß sind.

3. Veriahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkungen in der x-Koordinate und in der y-Koordinate umlt/2 phasenverschoben sind.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkungen in der x- und y-Koordinate insbesondere sinusförmig oder insbesondere sägezahnförmig sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkungen in der x- und y-Koordinate vorzugsweise gleich groß sind.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen für die Ableckströme in der s- und y-Koordinate getastet Blind, 7., Veriabren nach Anspruch 1, dadurch gekennsetchact, daß der Brennpunkt in der z-Koordinate mit einer Frequenz f3 symmetrisch zu seiner Arbeitslage ausgelenkt .w,ird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt in der z-Koordinate mit einer' Frequenz f3 unsymmetrisch zu seiner Arbeitslage ausgelenkt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1. Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz f3 zur Auslenkung des Brennpunktes in der z-Koordinate wesentlich kleiner ist als die Frequenzen f1 und f2 der Auslenkungen in den x-y-Koordinaten.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt in der z-Koordinate impulsartig ausgelenkt wird.

11. Verfahren nachAnspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sum Messen der#Schwe'ißnaht das Suchsignal im Bereich # # # ausschnittsweise zur oszillographischen Wiedergabe und/oder zur Helligkeitssteuerung eines Fernsehbildes verwendet wird, dessen Raster synchron mit der Bewegung des Brennpunktes in der x-y-flene verkoppelt ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Große des vom Brennpunkt beschriebenen Kreises derart gesteuert wird, daß der Radius des Kreises (Fangbereich) vergröbert wird, wenn der Brennpunkt die Puge noch nicht erreicht und bei Auftreffen auf die Fuge automatisch wieder auf seinen kleinen Optimalwert gebracht wirdW