DE2829784A1 - Geraet zur materialbearbeitung mittels eines durch ein stoermagnetfeld verlaufenden ladungstraegerstrahles - Google Patents
Geraet zur materialbearbeitung mittels eines durch ein stoermagnetfeld verlaufenden ladungstraegerstrahlesInfo
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- B23K15/0013—Positioning or observing workpieces, e.g. with respect to the impact; Aligning, aiming or focusing electronbeams
Description
14. Juni 1978 10097/Dr.v.B/Ro.
Steigerwald Strahltechnik GmbH Haderunstraße la, 80OO München 70
Gerät zur Materialbearbeitung mittels eines durch ein Störmagnetfeld verlaufenden LadungstragerStrahles.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Beim Schweißen oder anderen Bearbeitungsprozessen mit einem Ladungsträgerstrahl, insbesondere einem Elektronenstrahl,
gibt es oft Anwendungsfälle, bei denen der Strahl durch ein Störmagnetfeld, das eine senkrecht zum Strahlweg verlaufende
Komponente hat, in unerwünschter Weise abgelenkt wird. Die unerwünschte Ablenkung kann zur Folge haben, daß der Strahl
nicht mehr an einer Sollposition (z.B. Schweißfugenmitte) auf das Werkstück auftrifft und/oder daß seine Orientierung
bezüglich des Werkstücks so geändert wird, daß sich Fehler in der Qualität des Bearbeitungsergebnisses einstellen. Die
Änderung der Orientierung des Strahles ist insbesondere beim Schweißen von Werkstücken größerer Dicke sehr unerwünscht und
kann auch nicht durch eine normale Nahtfolgeeinrichtung, die den Auftreffbereich des Strahles an der dem Strahlerzeugungssystem
zugewandten Seite des Werkstücks in der Schweißfugenmitte hält, kompensiert werden.
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Die den Strahl beeinflussenden Störmagnetfelder können
z.B. von einem remanenten Magnetismus des Werkstückes oder diesem benachbarter ferromagnetischer Bauteile herrühren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Materialbearbeitung anzugeben, das auch dann
einwandfrei arbeitet, wenn der auf das Werkstück gerichtete Strahl längs seines Weges durch ein Störmagnetfeld verläuft.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gerät zur
Materialbearbeitung gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß seitlich des Strahlweges mindestens eine Magnetfeldmeßeinrichtung
angeordnet ist, die auf mindestens eine senkrecht zum Strahlweg verlaufende Komponente des Störmagnetfeldes
anspricht, und daß ein der Stärke und Richtung der gemessenen Störmagnetfeldkomponente entsprechendes Ausgangssignal der
Magnetfeldmeßeinrichtung einer Kompensationseinrichtung zum weitestgehenden Kompensieren der gemessenen Magnetfeldkomponente
zugeführt ist.
Vorzugsweise wird das Störmagnetfeld an zwei verschiedenen
Stellen längs des Strahlweges gemessen und kompensiert, von denen die eine Stelle möglichst nahe bei der Werkstücksoberfläche
liegt.
Die Magnetfeldmeßeinrichtung und die Kompensationseinrichtungen sind ferner vorzugsweise so ausgebildet, daß zwei
im Winkel zueinander, also z.B. senkrecht aufeinander stehende Komponenten des Störmagnetfeldes in einer senkrecht zum
Strahlweg verlaufenden Ebene gemessen und kompensiert werden,
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*~ D *■
so daß Störmagnetfelder beliebiger Richtung, die den Strahl aus dem vorgesehenen Strahlweg abzulenken vermögen, kompensiert
werden können.
Durch das erfindungsgemäße Gerät lassen sich einwandfreie
Bearbeitungsergebnisse auch dann erzielen, wenn der Strahlweg durch ein Störmagnetfeld verläuft. Die Erfindung läßt sich
bei Ladungsträgerstrahlgeräten für die verschiedensten Arten der Materialbearbeitung verwenden, z.B. bei Geräten zum
Schweißen, Bohren, Gravieren, Fräsen und dergleichen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung, und
Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer Magnetfeldmeßeinrichtung
und Kompensationseinrichtung für ein Gerät der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Art.
Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel von Elektronenstrahlschweißgeräten
beschrieben, sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt und läßt sich, wie oben erwähnt, auch bei
anderen Bearbeitungsarten und auch bei Ionenstrahlgeräten verwenden.
Das in Fig. 1 dargestellte Gerät enthält zwei Magnetfeldmeßvorrichtungen
10, 30, die z.B. aus Hall-Sonden bestehen
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können. Statt Hall-Sonden kann man selbstverständlich auch andere Magnetfeldmeßeinrichtungen verwenden, z.B. Förster-Sonden
und dgl. Die Magnetfeldmeßvorrichtungen 10, 30 sind im Abstand längs des Strahlweges voneinander möglichst nahe
am Weg des Elektronenstrahls 40 so angeordnet, daß sie eine zum Strahlweg senkrechte Störmagnetfeldkomponente erfassen,
die so gerichtet ist, daß sie den Elektronenstrahl 40 senkrecht zu einer zu verschweißenden Stoßfuge 50 zwischen zwei
plattenförmigen Werkstückteilen 60 und 70 abzulenken strebt. Die eine Magnetfeldmeßeinrichtung 30 soll sich so dicht wie
möglich über der Werkstückoberfläche befinden, die zweite Magnetfeldmeßeinrichtung kann in einem Abstand bis zu mehreren
Dezimetern von der ersten beabstandet sein.
Die Magnetfeldmeßvorrichtungen 10 und 30 liefern ein Ausgangssignal, das dem Betrag und der Richtung der erfaßten
(zur Stoßfuge 50 parallelen) Magnetfeldkomponente ist. Den Magnetfeldmeßeinrichtungen sind jeweils zwei Magnetspulen 80,
80 bzw. 90, 90 zugeordnet. Die einer vorgegebenen Magnetfeldmeßeinrichtung
zugeordneten Spulen liegen einander bezüglich des Strahlweges gegenüber und sind so miteinander elektrisch
gekoppelt, daß sie im Bereich der Magnetfeldmeßeinrichtung und damit des Elektronenstrahls 40 ein Magnetfeld zu erzeugen
vermögen, das der von der betreffenden Magnetfeldmeßeinrichtung 10 oder 30 erfaßten Komponente des Störmagnetfeldes entgegengesetzt
gleich ist.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung
für eine Magnetfeldmeßeinrichtung und die zugehörigen Kompensationsspulen; dabei ist angenommen, daß die Magnetfeldmeßeinrichtungen
aus Hall-Sonden bestehen.
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Die Hall-Sonde 10 (oder 30) enthält, wie üblich, ein längliches Halbleiterplättchen, dessen schmale Kanten mit
einer Quelle 100 für einen vorzugsweise einstellbaren Strom verbunden sind» Die langen Kanten sind mit Elektroden versehen,
welche mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 102 gekoppelt sind, der ein Ausgangssignal liefert, dessen Betrag
und Vorzeichen der Größe und Richtung der die Hauptflächen des Hall-Plättchens senkrecht durchsetzenden Magnetfeldkomponente
sind. (Das Hall-Plättchen ist in Fig. 3 in die Zeichenebene gedreht gezeichnet, in Wirklichkeit weist die in Fig. 3
sichtbare Hauptfläche des Plättchens zum Elektronenstrahl 40, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.)
Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 102 wird
über einen Leistungsverstärker 104 den Magnetspulen 80 (bzw. 90) mit solcher Polarität zugeführt, daß diese Spulen ein Kompensationsmagnetfeld
82 (Fig. 1) erzeugen, welches der von der Magnetfeldmeßeinrichtung erfaßten Magnetfeldkomponente im
wesentlichen entgegengesetzt gleich ist. Hierdurch wird die den Strahl aus seinem vorgeschriebenen Weg ablenkende Magnetfeldkomponente
kompensiert und eine unerwünschte Strahlablenkung wird verhindert.
Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 1, die sich von ersterer lediglich darin unterscheidet,
daß die Achsen der in der Nähe der Werkstückoberfläche angeordneten
Kompensationsspulen 90' parallel zum Strahlweg 40
und nicht, wie die Achsen der Spulen 90 in Fig. 1 senkrecht zum Strahlweg verlaufen.
In den Fig. 1 und 2 sind zwei Magnetfeldmeßeinrichtungen und zwei zugehörige Spulenpaare dargestellt, was jedoch keine
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Einschränkung bedeuten soll. Im Prinzip können soviele Sonden und Spulenpaare benutzt werden, wie sich aus den Genauigkeitsanforderungen des jeweiligen Gerätes ergibt. Die Spulenachsen
durchstoßen vorzugsweise die Sondenflächen in ihren Mittelpunkten.
Die Sonden sind möglichst langgestreckt, um über einen möglichst großen Bereich des Weges des Ladungsträgerstrahles
einen gemittelten Magnetfeldwert zu messen.
Die Magnetfeldsonden 10 und 30 sowie die zugehörigen Spulenpaare 80, 90 bzw. 90' haben eine feste Lage bezüglich
des Strahlerzeugungssystems, können also z.B. mit diesem fest verbunden sein.
Die beschriebenen und dargestellten Einrichtungen können eine bestimmte, zum Strahlweg senkrechte Magnetfeldkomponente
kompensieren. Wenn die Richtung dieser Komponente festliegt oder nur eine Strahlablenkung in einer bestimmten Ebene
(z.B. quer zu einer Trennfuge) kompensiert werden soll, ist dies im allgemeinen ausreichend.
Wenn jedoch Störmagnetfelder beliebiger Richtung, die den Strahl abzulenken vermögen, kompensiert werden sollen,
wird das Magnetfeld an jedem gewünschten Punkt des Strahlweges durch zwei Magnetfeldmeßeinrichtungen, die auf verschiedene,
vorzugsweise zueinander senkrechte Komponenten des Störmagnetes ansprechen, gemessen und durch zwei entsprechend
angeordnete Kompensationsspulenanordnungen kompensiert. Im Falle der Fig. 1 und 2 werden dann also beispielsweise
auf der Höhe der Magnetfeldmeßeinrichtung 10 und auf der Höhe der Magnetfeldmeßeinrichtung 30 jeweils eine weitere
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Magnetfeldmeßeinrichtung angeordnet, die die Magnetfeldkomponente mißt, die auf der von der Magnetfeldmeßeinrichtung
10 bzw. 30 gemessenen Komponente senkrecht steht, und die dabei erzeugten Ausgangssignale steuern entsprechende Spulenpaare,
die gegenüber den Spulenpaaren 80 bzw. 90 oder 90' um 90° bezüglich des Strahlweges winkelmäßig versetzt sind.
Die Fig. 1 und 2 sind also einfach durch ein zweites, um 90° gedrehtes Kompensationssystem ergänzt zu denken.
Für jede Magnetfeldmeßeinrichtung und die zugehörige Kompensationsspulenanordnung wird in diesem Falle eine
Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 vorgesehen.
Eine Alternative zu der oben beschriebenen Möglichkeit besteht darin, die Kompensationsspulen um die Strahlachse
schwenkbar zu lagern und eine Magnetfeldmeßeinrichtung zu verwenden, die ein der Orientierung und dem Betrag des Störmagnetfelds
in der Schwenkebene der Spulen entsprechendes Signal liefert, das den Spulenstrom entsprechend dem Betrag
des Magnetfeldes regelt und eine Schwenkeinrichtung steuert, die die Verbindungslinie der Spulen in Deckung mit der Richtung
der zu kompensierenden Magnetfeldkomponente bringt.
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Claims (12)
1.)) Gerät zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahles,
der längs eines durch ein Störmagnetfeld verlaufenden Strahlweges auf ein Werkstück gerichtet ist, dadurch
gekennzeichnet , daß seitlich des Strahlweges eine auf das Störmagnetfeld ansprechende Magnetfeldmeßeinrichtung
(10, 30) angeordnet ist, die auf mindestens eine senkrecht zum Strahlweg verlaufende Komponente des Störmagnetfeldes
anspricht, und daß ein der Stärke und Richtung der gemessenen Störmagnetfeldkomponente entsprechendes Ausgangs-
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ORIGINAL
signal der Magnetfeldmeßeinrichtung einer Kompensationseinrichtung
(Fig. 3) zum Kompensieren der gemessenen Magnetfeldkomponente zugeführt ist.
2.) Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Magnetfeldmeßeinrichtung mindestens
zwei Magnetfeldmeßvorrichtungen (10, 30) enthält, die an ver-. schiedenen Stellen längs des Strahlweges neben diesem angeordnet
sind.
3.) Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet
, daß jeder Magnetfeldmeßvorrichtung eine Vorrichtung (8O, 90, 90') zum Erzeugen eines Kompensationsmagnetfeldes zugeordnet ist.
4.) Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet
, daß jede Magnetfeldmeßvorrichtung zwei Magnetfeldsonden enthält, die auf Magnetfeldkomponenten
unterschiedlicher Richtung ansprechen.
5.) Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Magnetfeldsonde eine Kompensationsspulenanordnung
zugeordnet ist.
6.) Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet
, daß den beiden Magnetfeldsonden eine um die Achse des Strahlweges verdrehbare Kompensationsspulenanordnung
zugeordnet ist.
7.) Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsvorrichtung
mindestens ein Paar von sich bezüglich des Strahlweges gegenüberliegenden Magnetspulen enthält.
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8.) Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet
, daß die Magnetspulen (80, 90) koaxial angeordnet und gleichsinnig erregt sind.
9.) Gerät nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet,
daß die Achsen der Magnetspulen (901) im wesentlichen parallel zum Strahlweg verlaufen.
10.) Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldmeßeinrichtung
mindestens eine direkt bei der Werkstückoberfläche angeordnete Magnetfeldsonde (30) enthält.
11.) Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldmeßeinrichtung
langgestreckte, einen mittleren Wert der Störfeldkomponente über eine größere Strecke des Strahlweges
messende Magnetfeldsonden enthält.
12.) Gerät nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet,
daß die von einer Magnetfeldsonde erfaßte Strecke des Strahlweges mindestens 30, vorzugsweise mindestens
50 ram beträgt.
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