DE3005757A1

DE3005757A1 - Verfahren und einrichtung zur ladungstraegerstrahlbearbeitung

Info

Publication number: DE3005757A1
Application number: DE19803005757
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl.-Phys. Dr. 8130 Starnberg Steigerwald
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1980-02-15
Filing date: 1980-02-15
Publication date: 1981-09-10
Also published as: JPS56134086A; GB2069397A; FR2476388A1

Description

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DR. DIETER V. BEZOLD DIPL. ING. PETER SCHÜTZ

DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER

MARIA THFRCSIA-STRASSR S3 POSTrACH 86 06 68

D-8000 MUENCHEN 86

TELEFON 089M7 69 06 47 68 19

AB SEPT. 1980t 4 70 60 TELEX 833 638 TELEGRAMM SOMBEZ

15. Februar 1980 10735 Dr.v.B./Ka

Steigerwald Strahltechnik GmbH, Benzstraße 11, 8031 Puchheim

Verfahren und Einrichtung zur Ladungsträgerstrahlbearbeitung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung Einrichtungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Wenn ein mit einem Ladungsträgerstrahl zu bearbeitendes Werkstück in die Vakuumkammer des Ladungsträgerstrahlgerätes eingeschleust werden soll oder so groß ist, daß es mit einem Ladungnträgerstrahlgerät bearbeitet werden muß, das eine bezüglich der Werkstückoberfläche bewegliche und abdichtbare Vakuumkammer aufweist, ist eine weitestgehend dichte, statische Abdichtung der Vakuumkammer des Ladungsträgerstrahlgerätes nicht möglich. Man muß in diesem Falle dann Dichtungssysteme verwenden, ins-

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/UOFl ASStN IUIM I "ROPAlSCHEN PATENTAMT ■ PROFiSSIOMAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OPFICE POSTSCHECK MONCHfN NR. 6 9140-800 · BANKKONTO HYPOIlANK MONCHfN IBlZ 700 SOO 401 KTO, 60 ftO 9β 73 7β iWIPT HYPO DI MM

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besondere sogenannte Durckstufendichtungen, die im Vergleich zu einer vollständig geschlossenen Vakuumkammer verhältnismäßig undicht sind, und das an der Bearbeitungsstelle und im Strahlerzeugungssystem erforderliche Vakuum durch laufendes Abpumpen der durch das Dichtungssystem eindringenden Luft aufrechterhalten. Ladungsträgerstrahlbearbeitungsgeräte mit solchen "dynamischen"Abdichtungssystem sind z.B. aus der DE-PS 10 81 212, der DE-AS 15 15 701, der AT-PS 235, 996 und der US-PS 31 36 882 bekannt. Ähnliche Probleme liegen auch bei sogenannten Taktmaschinen vor, bei denen ein Teil ("Arbeitskammerteil") der Vakuumkammer vom Strahlerzeugungssystem abgesperrt, auf Atmosphärendruck gebracht und geöffnet werden kann, so daß man einzelne Werkstücke oder Werkstückgruppen im Takt in ihn einführen , bearbeiten und wieder entnehmen kann, z.B. mittels eines schrittweise gedrehten oder verschobenen Tisches, der Ausnehmungen zur Aufnahme der Werkstücke hat und als Verschluß für den Arbeitskammerteil arbeitet.

Bei Ladungsträgerstrahlbearbeitungsgeräten mit solchen "dynamischen" Abdichtungssystem und bei Taktmaschinen lassen sich mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand an Zeit und/oder Pumpleistung häufig keine niedrigeren Drücke als

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etwa 10 bis 10 mbar erreichen. Bei Restluftdrücken dieser Größe ist jedoch das Bearbeitungsergebnis häufig unbefriedigend und es tritt eine verhältnismäßig rasche Verschmutzung des Inneren der Vakuumkammer ein. Z.B. hat es sich beim Elektronenstrahlschweißen relativ dicker metallische Werkstücke gezeigt, daß die Neigung des geschmolzenen Werkstückmaterials, aus dem Schweißbereich herausfließen, mit zunehmendem Druck zunimmt und bei Drücken in der Größen-

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Ordnung von 10 bis 10 mbar di<

Schweißnaht beeinträchtigen kann.

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Ordnung von 10 bis 10 mbar die Güte der erzeugten

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Neigung der Schmelze, bei höheren Restgasdrücken aus dem

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Schweißbereich herausfließen, herabzusetzen und andere unerwünschte Einflüsse des Restgases auf den Bearbeitungsvorgang sowie das Ladungsträgerstrahlgerät zu beseitigen oder zumindestens weitgehend zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Genauere Untersuchungen haben nämlich ergeben, daß die mit zunehmendem Restluftdruck zunehmende Neigung einer Metallschmelze, aus dem Schweißbereich herauszufließen, ihre Ursache vermutlich in einer Oxidation der Oberfläche der Metallschmelze durch den in der Restluft enthaltenen Sauerstoff hat. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Eindringen von Außenluft durch das nicht völlig dichte Abdichtungssystem oderfbeim öffnen des Arbeitskammerteils einer Taktmaschine verhindert oder eingedrungene Luft wird aus dem Bearbeitungsbereich durch Spülen mit Schutzgas zumindest während des Bearbeitungsvorganges verdrängt. Im ersteren Fall kann wegen des zwischen dem Dichtungssystem und der umgebenden Atmosphäre gebildeten "SchutzgasVorgangs" durch das Dichtungssystem nur Schutzgas, nicht jedoch die sauerstoffhaltige Umgebungsluft in die Vakuumkammer eindringen. Das Schweißbad wird daher nicht mehr oxidiert.

Durch das Verfahren gemäß der Erfindung wird außerdem Feuchtigkeit, die gewöhnlich in der der Umgebungsluft enthalten ist, von der Bearbeitungsstelle ferngehalten. Feuchtigkeit kann nämlich Störungen sowohl des Schweißbades als auch des Strahlerzeugungssystems verursachen und außerdem zu einer Verunreinigung des Schweißbereiches in metallischen Werkstoffen durch Wasserstoff mit den bekannten schädlichen Folgen führen.

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Bei dem Verfahren und den Einrichtungen gemäß der Erfindung kann man in vielen Fällen mit höheren Drücken im Bearbeitungsbereich und/oder dem Strahlerzeugungssystem arbeiten, als bisher, was den Vorteil eines entsprechend verringerten Pumpaufwandes mit sich bringt.

Beim Schweißen in Elektronenstrahlkammermaschinen, insbesondere Taktmaschinen, kann ein Spülen mit Schutzgas erhebliche Vorteile bringen. Insbesondere wird dabei die bei höheren Drücken von

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z.B. 10 bis 10 mbar auftretende Oxidation und die dadurch entstehende schädliche Kontamination von Vorrichtungen und Kammerwänden unterbunden. Damit werden auch die bekannten, sich mit der Zeit akkumulierenden, störenden Effekte, wie Pumpzeitverlängerung, Uberschlagsanfälligkeit usw. vermieden.

Als Schutzgase können Edelgase, insbesondere Argon, gegebenenfalls auch Helium verwendet werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht einer Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 eine Teilansicht einer Abwandlung der Einrichtung gemäß Figur 1;

Figur 3 eine stark vereinfacht dargestellte, teilweise geschnittene Seitenansicht einer Einrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und

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Figur 4 eine schematische Schnittansicht einer Taktmaschine mit Einrichtungen gemäß einer Ausf(ihrungsform der Erfindung.

In Figur 1 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Elektronenstrahlschweißmaschine 10 dargestellt, die eine Vakuumkammer 12 aufweist, in der sich ein nur schematisch dargestelltes Strahlerzeugungssystem 14 sowie die üblichen Fokussierungs- und Ablenksysteme (nicht dargestellt) befinden. Die Elektronenstrahlschweißmaschine enthält ferner eine Hochspannungsquelle 16 und eine Einheit 18, die die für den Betrieb erforderlichen anderen Betriebs- und Steuerspannungen liefert. Die Vakuumkammer ist an einer senkrechten Schiene 20 verschiebbar gelagert und hat. eine Strahlaustrittsöffnung 22, durch die ein vom Strahlerzeugungssystem 14 erzeugter Elektronenstrahl 24 austritt. Die Strahlaustrittsöffnung 22 ist bezüglich einer Oberfläche 26 einer zu schweißenden Werkstückanordnung 28 beweglich und durch ein Abdichtsystem abdichtbar, das als Druckstufendichtung ausgebildet ist und eine ringförmige Kammer 30 enthält, welche die die Strahlaustrittsöffnung 22 bildende Wand 32 der Vakuumkammer 12 umgibt. Das Innere der Vakuumkammer 12 und die Kammer 30 sind über Pumpleitungen 34 bzw. 36 mit einem konventionellen Vakuumsystem 38 verbunden, das Hochvakuum- und Vorpumpen enthält. Im Betrieb erzeugt das Vakuumsystem im Inneren der Vakuumkammer 12 einen Druck, der z.B. 5 · 10 mbar bis hinauf zu etwa 10 mbar betragen kann. Der Druck in der ringförmigen Kammer 30 liegt zwischen dem Druck in der Vakuumkammer 12 und dem Druck der umgebenden Atmosphäre und beträgt z.B. 10 mbar. Zum Schweißen der Werkstückanordnung wird das Elektronenstrahlschweißgerät 10 längs einer zu verschweißenden Fuge 40 nach oben bewegt, wobei der Elektronenstrahl 24 das Werkstückmaterial schmilzt und ein Schweißbad 42 erzeugt, das beim Weiterwandern des Elektronenstrahls 24 unter Bildung einer Schweißnaht 4 4 erstarrt.

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Um die Neigung des Schweißbades 42, auf der dem Strahlerzeugungssystem 14 zugewandten Seite aus dem Schweißbereich herauszufließen, zu verringern, ist das Druckstufen-Abdichtsystem 30-32 von einer weiteren ringförmigen Kammer 46 umgeben, in der jedoch kein Unterdruck bezüglich der Atmosphäre erzeugt wird, sondern in die von einer Druckgasquelle 48, z.B. einer Druckgasflasche, über eine Leitung 50 ein Schutzgas so eingeleitet wird, daß in der Kammer 46 ein etwas über dem Druck der umgebenden Atmosphäre liegender Druck herrscht. Es strömt daher etwas Schutzgas durch einen Spalt 52 zwischen der der Werkstückoberfläche 26 in nahem Abstand gegenüberliegenden Stirnseite der atmosphärenseitigen Wand 54 der Kammer 46 aus und verhindert, daß Luft durch die entsprechenden Spalte 53, des Abdichtsystems in das Innere der Vakuumkammer gelangen kann.

Figur 2 zeigt eine Abwandlung desJAbdichtsystems und der Vorrichtung zum Erzeugen des "SchutzgasVorhanges" zwischen der Außenseite des Abdichtsystems und der umgebenden Atmosphäre. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet. Bei dem Abdichtsystem gemäß Fig. 2 sind an den unteren Händern der Wand 32 und der Außenwand der Kammer 30 elastische Dichtlippen 56 angeodnet. Am unteren Ende der Außenwand der Kammer 30 ist eine ringförmige Rohrleitung 46' vorgesehen, die mit einer nicht dargestellten Schutzgasquelle verbunden ist und zur Oberfläche 26 der Werkstückanordnung gerichtete Öffnungen aufweist, aus denen das Schutzgas ausströmt.

Figur 3 zeigt ein Ladungsträgerstrahlbearbeitungsgerät 110 mit einer Vakuumkammer 112, in die die zu bearbeitenden Werkstücke 128 durch eine Eintrittsschleuse 160 der Reihe nach kontinuierlich einschleusbar sind. Das Gerät und die Eintrittsschleuse können im Prinzip so aufgebaut sein, wie es in der AT-PS 235 beschrieben ist. Die Eintrittsschleuse enthält einen langgestreckten Kanal 162, der durch die hindurchgeführten Werkstücke 128 abgedichtet wird. Der Kanal 162 ist an verschiedenen, in Laufrichtung der Werkstücke 128 beabstandeten Stellen mit

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Vakuumleitungen 164, 166, 168 verbunden, die, wie dargestellt, zu einer Vorpumpe 170 bzw. einem Vakuumsystem 138 (entsprechend dem Vakuumsystem 38 in Fig. 1) führen. Gemäß der Erfindung ist der Kanal 162 nun ferner noch über eine Leitung 172 mit einer Schutzgasquelle 148 verbunden, durch die in ihn ein Schutzgas eingeleitet werden kann. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist die Leitung 172 an eine Stelle des Kanals angeschlossen, die sich zwischen der zur Vorpumpe 170 führenden Leitung 164 und der zum Hauptvakuumsystem führenden Leitung 166 befindet. Die Zuführungsgeschwindigkeit des Schutzgases wird so eingestellt, daß der Druck in dem Bereich des Kanales 162, in dem die Leitung 172 mündet, höher ist als auf der "Hochdruckseite" dieses Bereiches, also höher als der Druck der Luft in dem Bereich, an dem die Vakuumleitung 164 ansetzt. In den Bereich des Ladungsträgerstrahls 124 kann daher keine Umgebungsluft durch das eigentliche Abdichtsystem eindringen, welches aus dem an die Vakuumkammer 112 ansetzenden Teil des Kanals 162, den in diesem befindlichen Werkstücken 128, den Pumpleitungen 166 und 168 sowie dem Vakuumsystem 138 besteht.

Die Vakuumleitung 164 und die Vorpumpe 170 können entfallen, die Schutzgasquelle 148 muß dann im Kanal 162 einen Schutzgasdruck erzeugen, der über dem Druck der Außenatmosphäre liegt.

Zur Wiedergewinnung des Schutzgases kann die in Richtung höheren Vakuums auf die Zuführungsstelle des Schutzgases führende Vakuumleitung mit einer Rückgewinnungs- und Regenerierungsvorrichtung verbunden werden. Bei Fig. 3 kann also anstelle der Leitung 166 eine Leitung 166a vorgesehen sein, die zu einer Wiedergewinnungseinheit 180 führt, welche eine Pumpe sowie eine Vorrichtung zum Abtrennen des Schutzgases von Verunreinigungen (z.B. eine Kühlfalle) enthält. Das wiedergewonnene und gereinigte Schutzgas kann dann der Schutzgasquelle 148 wieder zugeführt werden.

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Die Einrichtung 110 gemäß Fig. 3 hat ferner eine nicht näher dargestellte Austrittsschleuse, die im Prinzip wie die Eintrittsschleuse 160 aufgebaut sein kann.

In Figur 4 ist schematisch ein Teii'einer Taktmaschine 410 dargestellt, deren Vakuumkammer 412 durch ein Ventil 413 in zwei Teile aufgeteilt ist, nämlich einen ersten Teil 415, welcher das Strahlerzeugungssystem 414 enthält, und einen zweiten Teil 417, der als Arbeitskammerteil bezeichnet werden soll und zur Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstücks 428 bzw. einer Gruppe von Werkstücken dient. Der Arbeitskammerteil 417 wirkt mit einem Drehtisch 419 zusammen, der mehrere Ausnehmungen 421 zur Aufnahme der Werkstücke aufweist und durch eine Steuervorrichtung 423 drehbar sowie in Richtung der Drehachseverschiebbar ist. Die Ausnehmungen 421 des Drehtisches sind durch schematisch dargestellte Dichtungen 425 bezüglich eines offenen unteren Endes der Arbeitskammer 417 abdichtbar, wenn der Drehtisch 419 angehoben ist, wie Fig. 4 zeigt.

Der Kammerteil 415 , das Absperrventil 413 und die Arbeitskammer 417 sind über entsprechende Saugleitungen mit einem Vakuumpumpensystem 438 verbunden, wobei in die Saugleitung 434, die in der Arbeitskammer mündet, ein Magnetventil 435 angeordnet ist. Insoweit entspricht das beschriebene, im Takt arbeitende Ladungsträgerstrahlgerät dem Stand der Technik.

Gemäß der Erfindung sind nun noch zwei Vorrichtungen 400 und 402 zum Einführen von Schutzgas in die Arbeitskammer 417 vorgesehen. Die Vorrichtungen 400 und 402 können auch jede für sich alleine verwendet werden.

Die Vorrichtung 400 enthält eine Einspeisungsleitung 473, die über ein Magnetventil 475 und ein Drossel- oder Reduzierventil 477 mit einer Schutzgasquelle 448 verbunden ist. Diejvorrichtung 400 dient dazu, das Innere der Arbeitskammer 417 durch Einführen

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von Schutzgas auf Atmosphärendruck zu bringen, wenn der Arbeitskammerteil 417 nach der Bearbeitung eines Werkstücks 428 geöffnet werden soll, um das bearbeitete Werkstück zu entnehmen und ein neues Werkstück an den Bearbeitungsort zu bringen.

Die Vorrichtung 402 enthält eine Schutzgas-Einspeisungsleitung 472, die in der Arbeitskammer mündet. Vorteilhafterweise ist in der Bearbeitungskammer 417 eine hülsenartige Abschirmung 480 vorgesehen, die den Strahl 24 in der Nähe des Bearbeitungsbereiches umgibt, um das durch die Einspeisungsleitung 472 eingeführte Schutzgas auf den Bereich des Strahlweges und die Bearbeitungsstelle zu konzentrieren. Die Einspeisungsleitung 472 ist über zwei Magnetventile 474 und 476 sowie über ein Druckreduzierventil 478 mit der Schutzgasquelle 448 verbunden.

Das Absperrventil 413, die Magnetventile 435, 474, 475 und 476 sowie die Vorrichtung 423 zur Betätigung des Drehtisches 419 sind durch eine Taststeuerung 482 steuerbar.

Die Einrichtung 410 arbeitet folgendermaßen:Anfänglich ist der Arbeitskammerteii 417 durch das Absperrventil 413 von dem Vakuumpumpensystem 438 und dem ^amme:|teil 415 abgesperrt. Das Ventil ist in diesem Betriebszustand gegenüber der in Figur 4 dargestellten Stellung um 90° in Gegenuhrzeigerrichtung gedreht. Die Magnetventile 435 und 474 bis 476 sind geschlossen. Der Drehtisch 419 wird abgesenkt, ein Werkstück wird in eine Ausnehmung 421 eingelegt, die betreffende Ausnehmung wird unter die öffnung des Arbeitskammerteils 417 gedreht und der Drehtisch wird dann wieder angehoben, so daß die untere öffnung des Arbeitskammerteils nun vakuumdicht verschlossen ist.

Nun wird das Magnetventil 435 geöffnet, um den Arbeitskammerteil 417 zu evakuieren. Wenn der Druck genügend abgesunken ist, wird das Absperrventil 413 geöffnet, so daß der Strahlweg frei ist und das Werkstück bearbeitet werden kann.

Gemäß der Erfindung wird nun durch die Vorrichtung 402 eine begrenzte Menge ("Schuß") Schutzgas impulsartig durch die Einspeisungsleitung 472 in die Arbeitskammer 417 eingeführt. Hierzu wird das Magnetventil 476 kurzzeitig geöffnet, so daß sich in der Verbindung 472a zwischen den Magnetventilen 474 und 476 eine gewisse Menge Schutzgas ansammelt, deren Größe von dem Volumen des Leitungsstücks 472 a und den am Reduzierventil 478 eingestellten Druck abhängt. Das Magnetventil 476 wird dann wieder geschlossen und beim kurzzeitigen öffnen des Magnetventils 474 tritt dann das Schutzgas impulsartig in den Arbeitskammerteil 417 ein, wo das Schutzgas die sauerstoff- und feuchtigkeitshaltige Restluft aus dem Bearbeitungsbereich verdrängt. Wenn das erforderliche Vakuum erreicht ist, wird das Strahlerzeugungssystem 414 eingeschaltet und das Werkstück bearbeitet.

Das Schutzgas kann z.B. dann eingeführt werden, wenn der Druck im Arbeitskammerteil auf einen Wert zwischen etwa 1-20 Millibar abgesunken ist, insbesondere auf etwa 10 Millibar, und die begrenzte Menge Schutzgas, die bei dem Schuß eingeführt wird, kann vorteilhafterweise so bemessen sein, daß der Druck im Arbeitskammerteil kurzzeitig um etwa 5 bis 30 Millibar, insbesondere etwa 10 Millibar ansteigt. Der Arbeitsdruck kann etwa 5 ' 10~² - etwa 1 * 10~¹ Millibar betragen.

Nach der Bearbeitung des Werkstücks muß das Innere der Arbeitskammer 417 wieder im wesentlichen auf Atmosphärendruck gebracht werden, um den Drehtisch 419 absenken und ein neues Werkstück in die Arbeitskammer bringen zu können. Gemäß der Erfindung wird der Atmosphärendruck im Arbeitskammerteil 417 vorteilhafterweise nicht durch Einlassen atmosphärischer Luft, sondern durch Einlassen von Schutzgas mittels der Vorrichtung 400 erzeugt. Hierzu wird das Magnetventil 475 durch die Taktsteuerung 482 so lange geöffnet, bis sich der Arbeitskammerteil 417 mit Schutzgas unter Atmosphärendruck gefüllt hat. Der Werkstückwechsel kann dann in bekannter Weise erfolgen. Gewünschtenfalls

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kann während des Werkstückwechsels laufend Schutzgas nachgeführt werden, um ein Eindringen atmosphärischer Luft in den Arbeitskammerteil 417 zu verhindern und/oder es kann eine Art Verschluß, wie eine Klappe, vorgesehen sein, die die öffnung des Arbeitskammerteils 417 mehr oder weniger dicht verschließt, während der Werkstückwechsel erfolgt.

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, kann die anhand von Fig. 4 beschriebene Vorrichtung 402 auch bei einem Strahlschweißgerät der Fig. 1 dargestellten Art Anwendung finden. Die Schutzgas-Einspeisungsleitung 472 mündet in der Vakuumkammer vorteilhafterweise möglichst nahe beim Werkstück und auf der dem Strahlerzeugungssystem abgewandten Seite der mit der Vakuumkammer verbundenen Saugleitung 34 (Fig. 1)bzw. 434 (Fig. 4).

Die Vorrichtungen 400 und/oder 402 können auch so gesteuert werden, daß beim Verschließen des Arbeitskammerteils 417, insbesondere kurz vor oder während des Anhebens des Tisches 419 ein Schuß Schutzgas in den Arbeitskammerteil 417 eingeführt wird, der die in ihm befindliche Luft verdrängt. Späteakann dann die Vorrichtung 402 nochmals in Tätigkeit treten, wie es oben erläutert worden ist.

Die Zuführung des spülenden Schutzgases kann auch kontinuierlich erfolgen, in diesem Falle tritt dann an die Stelle der Magnetventile 474 und 476 ein Nadelventil oder dgl., so daß dann ein kontinuierlicher Schutzgasstrom in die Vakuumkammer eingespeist wird.

Durch die beschriebenen Maßnahmen wird erreicht, daß der Sauerstoffgehalt und derFeuchtigkeitsgehalt des Restgases in der Kammer ganz wesentlich geringer ist als üblich, so daß die Bearbeitung bei höheren Drücken als üblich stattfinden kann, z.B. schon bei Arbeitsdrücken von 0,1 Millibar in der Arbeitskammer 417. Man spart dadurch erheblich an Pumpzeit und kann

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mit schnelleren Taktzeiten arbeiten.

Als Schutzgas sind alle Gase geeignet, die bezüglich des Werkstückina terials, auch wenn es sich im erhitzten oder geschmolzenen Zustand befindet, im wesentlichen inert sind. Bevorzugt wird Argon, es können jedoch auch andere Edelgase, wie Helium verwendet werden.

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Claims

PATENTANWÄLTE
DR. DIETER V. BEZOLD

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ ·5 U U 0 / 0 /

DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER

MARlA-THEREStA-STRASSE 39 POSTFACH 86Ο6 68

D-eOOO MUENCHEN β6

TELEFON 089147 69 06 476819

Al SEPT. 19BOi 4 70 60 TELEX 639 038 TELECKAMM SOMBEZ

15. Februar 1980 10735 Dr.v.B/K

Steigerwald Strahltechnik GmbH Benzstraße 11, 8031 Puchheim

Verfahren und Einrichtung zur Ladungsträgerstrahl-

'bearbeitung

1J Verfahren zur Ladungsträgerstrahlbearbeitung, bei welchem ν y

ein gebündeltem Ladungsträgerstrahl in einer laufend

- evakuierton, etwas sauerstoffhaltiges Restgas enthaltenden

Kammer auf eine Bearbeitungsstelle eines Werkstücks gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den die Bearbeitungsstelle der Kammer enthaltenden ; Bereich ein Schutzgas eingeführt wird, das in diesen Bereich das sauerstoffhaltige Restgas verdrängt und zumindest

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vorübergehend einen Schutzgasdruck von mindestens 5·10 . Iiillibar erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur getaktetersBearbeitung einer Folge von Werkstücken, bei welchem ein ein Strahlerzeugungssystem enthaltenden Teil der Kammer bezüglich eines die zu bearbeitenden Werkstücke nacheinander aufnehmenden Arbeitskammerteils abgesperrt wird, der Arbeitskammerteil auf Atmosphärendruck gebracht, zur Entnahme eines bearbeiteten sowie Einführung eines zu bearbeitenden Werkstückes

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ZUGELASSEN BFIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT · PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE ¹OSTSf-HHCK MÖNCHEN NR, Α9Ι4Α-β00 BANKKONTO HYPOBANK MONCHFN IBLZ ^!«1*00 401 KTO, 60 60 9» 73 7» SWIFT HYPO PR MM

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geöffnet, dann wieder geschlossen und auf einen Arbeitsdruck evakuiert wird, und das eingeführte Werkstück dann mit dem Ladungsträgerstrahl bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Arbeitskammerteil eine begrenzte Menge Schutzgas impulsartig eingelassen wird, bevor der Arbeitsdruck erreicht ist.

Verfahren nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die begrenzte Menge Schutzgas in den Arbeitskammerteil eingeführt wird, nachdem der Druck in dieser auf einen Wert von etwa 1 bis 20 Millibar , insbesondere etwa 10 Millibar abgesunken ist, und daß die begrenzte Menge Schutzgas so bemessen ist, daß der Druck im Arbeitskammerteil kurzzeitig um etwa 5 bis 30 Millibar, insbesondere etwa 10 Millibar, ansteigt.

Verfahren nach Anspruch 1 zur getakteten Bearbeitung einer Folge von Werkstücken, bei welchem ein ein Strahlerzeugungssystem enthaltenden Teil der Kammer bezüglich eines die zu bearbeitenden Werkstücke nacheinander aufnehmenden Arbeitskammerteils abgesperrt wird, der Arbeitskammerteil auf Atmosphärendruck gebracht, zurEntnahme eines bearbeiteten sowie Einführung eines zu bearbeitenden Werkstückes geöffnet, dann wieder geschlossen und auf einen Arbeitsdruck evakuiert wird, und das eingeführte Werkstück dann mit dem Ladungsträgerstrahl bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet , daß der Arbeitskammerteil durch Einführen von Schutzgas auf Atmosphärendruck gebracht wird.

Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Strahlerzeugungssystem und einer dieses enthaltenden Vakuumkammer, die gegen die umgebende Atmosphäre durch eine Abdichtanordnung abgedichtet ist, durch welche im Betrieb der Einrichtung etwas Gas aus der Umgebung in das Innere der Vakuumkammer einzudringen vermag, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (46, 48, 50;

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46'; 148, 172) zum Erzeugen einer Schutzgasatmosphäre zwischen der Abdichtanordnung (30, 32; 56; 128, 162, 168) und der umgebenden Atmosphäre.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, bei welcherpie Abdichtanordnung eine Strahlaustrittsöffnung der Vakuumkammer umgibt und diese bezüglich einer Oberfläche einer zu bearbeitenden Werkstückanordnung abzudichten gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erzeugen der Schutzgasatmosphäre eine die Abdichtanordnung der Strahlaustrittsöffnung (22) ringförmig umgebende Anordnung (46, 46') enthält, die die Schutzgasatmosphäre an einem Spalt zwischen der Abdichtanordnung und der Werkstückoberfläche (26) erzeugt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet , daß die ringförmige Anordnung eine die Abdichtanordnung (30,32) der Strahlaustrittsöffnung (22) ringförmig umgebende Kammer (46) ist, deren der äußeren Atmosphäre zugewandte Wand (54) einen engen Spalt (52) mit der Werkstückoberfläche (26)bildet.

8. Einrichtung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet , daß die ringförmige Anordnung aus einem Düsenring (46¹) besteht, der nahe beim werkstückseitigen Ende der die Strahlaustrittsöffnung (22) umgebenden Abdichtanordnung (30,32) angeordnet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Vakuumkammer mit einer Werkstückschleuse versehen ist, die einen von den Werkstücken durchlaufenon und durch diese wenigstens annähernd abgedichteten Kanal enthält, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zum Erzeugen der Schutzgasatmosphäre eine Schutzgasquelle (148) und eine im Werkstückkanal (162) mündende Schutzgaszuführungsleitung (172) enthält.

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10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgaszuführungsleitung (172) im Werkstückkanal (162) zwischen zwei von der Mündung der Schutzgaszuführungsleitung beabstandeten Vakuumleitungsanschlüssen (164, 166) mündet.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Schutzgases in der Schutzgasatmosphäre höher ist als der Druck, der auf der der Abdichtanordnung abgewandten Seite der Schutzgasatmosphäre herrscht.

12. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch mit einem Strahlerzeugungssystem zum Erzeugen eines gebündelten Ladungsträgerstrahls, einer dieses enthaltenden Vakuumkammer, einem Vakuumpumpensystem, das über eine Pumpleitung mit einer vorgegebenen Stelle der Vakuumkammer verbunden ist, um in dieser ein Vakuum zu erzeugen, und einer Vorrichtung zur Positionierung eines Werkstückes in einer solchen Stellung, daß mindestens eine zu bearbeitende Stelle des Werkstücks dem Vakuum und dem Ladungsträgerstrahl ausgesetzt ist, gekennzeichnet durch eine Schutzgasquelle (248), die über eine Einspeisungsleitung (272) mit der Vakuumkammer (110) verbunden ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12,dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisungsleitung auf der dem Strahlerzeugungssystem abgewandeten Seite der Anschlußstelle der Pumpleitung in der Vakuumkammer mündet.

14. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch

2 mit einem Strahlerzeugungssystem zum Erzeugen eines Ladungsträgerstrahls; einer Vakuumkammer, die einen das Strahlerzeugungssystem enthaltenden Teil und einen zur Aufnahme von zu bearbeitenden Werkstücken dienenden Arbeitskanunerteil ent-

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hält, bezüglich dessen der ersterwähnte Teil durchjAbsperrvorrichtung absperrbar ist, um das Innere des Arbeitskammerteils getrennt auf Atmosphärendruck bringen zu können; einem Vakuumpumpensystem zum Evakuieren der Vakuumkammer, das über eine Pumpleitung mit einer vorgegebenen Stelle des Arbeitskammerteils verbunden ist, einer Ventilanordnung zum wahlweisen Verbinden der Arbeitskammer mit einem Gasvorrat oder

dem Vakuumpumpensystem; einer Vorrichtung zum getakteten öffnen der Arbeitskammer, Entnahme eines bearbeiteten Werkstückes und Einführen eines zu bearbeitenden Werkstückes sowie Verschließen des Arbeitskammerteils, und einer Taktsteuerung, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Einführen von Schutzgas in den Arbeitskammerteil.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurchgekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Einführen von Schutzgas eine über die Ventilanordnung mit dem Arbeitskammerteil verbundene Schutzgasquelle enthält, die zumindest einen wesentlichen Teil des Gases liefert,mit dem der Arbeitskammerteil auf Atmosphärendruck gebracht wird.

16. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zum Einführen von Schutzgas bei jedem Takt eine vorgegebene Menge Schutzgas diskontinuierlich in den Arbeitskammerteil einspeist.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß der Strahl in der Nähe der Bearbeitungsstelle von einer hülsenartigen Abschirmung (273) umgeben ist, die das Schutzgas auf den Bearbeitungsbereich konzentriert.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet , daß das Strahlerzeugungssystem

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ein Elektronenstrahlerzeugungssystem ist.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß das Schutzgas ein bezüglich des Materials des zu bearbeitenden Werkstückes im wesentlichen inertes Gas, insbesondere ein Edelgas wie Argon ist.

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