DE3037230A1 - Elektronenstrahlschweissmaschine - Google Patents

Elektronenstrahlschweissmaschine

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DE3037230A1 DE19803037230 DE3037230A DE3037230A1 DE 3037230 A1 DE3037230 A1 DE 3037230A1 DE 19803037230 DE19803037230 DE 19803037230 DE 3037230 A DE3037230 A DE 3037230A DE 3037230 A1 DE3037230 A1 DE 3037230A1
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Welding Or Cutting Using Electron Beams (AREA)

Description

  • Beschreibung
  • Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlschweißmaschine mit einem Strahlerzeuger und zwei im potentialfreien Raum hinter dem Strahlerzeuger angeordneten, den Elektronenstrahl auf ein Werkstück fokussierenden elektromagnetischen Linsen der im Oberbebriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
  • Es ist eine Elektronenstrahlschweißmaschine dieser Art bekannt (DE-OS 28 15 478), bei der die Zwischenlinse im Bereich vor der Hauptlinse einen Zwischenfokus erzeugt und bei der außerdem im Bereich zwischen der Zwischenlinse und dem Zwischenfokus eine den Strahlquerschnitt begrenzende, wassergekühlte Blende angeordnet ist. Mit diesen Vorkehrungen soll erreicht werden, daß durch Auffangen eines Teils der Randstrahlen des Elektronen strahlbündels eine Verbesserung der Abbildungseigenschaften erhalten wird. Abgesehen davon, daß das Auffangen der Randstrahlen eine Leistungsminderung von 5-20% zur Folge hat, tritt vor allem bei hohen Strahlstromdichten und kleinen Strahlöffnungswinkeln im Bereich des Zwischenfokus eine Raumladungserweiterung des Elektronenstrahls auf, die die zuvor an der Blende erzielte Einengung des Elektronenstrahls wieder zunichte macht oder gar noch verschlechtert. Eine Verbesserung des Richtstrahlwerts an der Stelle des Hauptfokus und damit eine Verbesserung der Tiefschweißeigenschaften kann mit den dort beschriebenen Maßnahmen nicht erreicht werden.
  • Weiter ist es bei einer elektronenoptischen Linsenanordnung für Materialbearbeitungsgeräte an sich bekannt (DE-OS 27 52 598), im Bereich vor einer statischen Fokuslinse eine schnelle dynamische Fokuslinse anzuordnen, die den ankommenden Elektronenstrahl ohne Zwischenfokusbildung auf einen kleineren divergierenden Strahlöffnungswinkel bündelt und die eine hochfrequente Nachregelung oder Steuerung der Fokuslage ermöglicht. Um mit einer möglichst geringen Steuerleistung auszukommen, ist dort insbesondere vorgesehen, daß die dynamische Fokuslinse im Inneren der statischen Fokuslinse angeordnet ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenstrahlschweißmaschine zu schaffen, die über einen weiten Arbeitsbereich innerhalb der Schweißkammer gute Tiefschweißeigenschaften aufweist.
  • Die im Patentanspruch 1 angegebene Lösung dieser Aufgabe geht von der Erkenntnis aus, daß zur optimalen Ausnutzung der Strahlenergie im Schweißprozeß, d.h. zur Erzielung einer sehr tiefen und sehr schmalen Naht, eine hohe Richtwirkung des Elektronenstrahls erforderlich ist.
  • Diese Größe, die auch als Richtstrahlwert R bezeichnet wird, ist durch die auf die Raumwinkeleinheit bezogene Strahlstromdichte im Brennfleck definiert: wobei 1B die Strahlstromstärke, rm den Halbwertsradius der Stromdichteverteilung im engsten Strahlquerschnitt und t den Strahlöffnungswinkel an dieser Stelle bedeuten Der Richtstrahlwert ist eine Invariante eines Strahlsystems, vorausgesetzt, daß die Übertragung fehlerfrei ist, daß also keine Raumladungsverbreiterung im Bereich der Strahleinschnürungen und keine Abbildungsfehler aufgrund von Linsenfehlern auftreten. Je größer der Öffnungswinkel r ist, umso geringer ist die Gefahr einer Raumladungsverbreiterung. Bei gegebenem Richtstrahlwert erhält man somit eine umso schärfere Abbildung, je größer der Strahlöffnungswinkel t im Crossover-Punkt des Strahlerzeugers ist. Der Öffnungswinkel t ist jedoch nach oben durch Linsenfehler, insbesondere eine sphärische Aberration, des abbildenden Linsensystems begrenzt, die umso gröi3er sind, je größer die Ausleuchtungsfläche der Linsen ist. Eine weitere Begrenzung stellen die mechanischen Einbauten in der Schweißmaschine dar.
  • Die Erfindung geht also zunächst davon aus, daß der Strahlerzeuger in an sich bekannter Weise für die Erzeugung eines Elektronenstrahls mit hohem Richtstrahlwert ausgelegt wird, um dadurch die wesentliche Voraussetzung für das Elektronenstrahl-Tiefschweißen zu schaffen (Friedemann Noller: Dissertation, Januar 1979, Universität Stuttgart). Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Zwischenlinse im Strahlengang unmittelbar hinter der rohrförmig ausgebildeten Anode an einem die Anode tragenden maschinenfesten Halter, also relativ nah beim Crossover-Punkt des Strahlerzeugers, wird erreicht, daß auch bei einem verhältnismäßig großen Strahlöffnungswinkel im Bereich des Crossover-Punkts eine kleine Ausleuchtuny in der Linsenebene der Zwischenlinse erhalten wird. Die Zwischenlinse erzeugt eine Bündelung des Elektronenstrahls auf einen kleineren divergierenden Strahlöffnungswinkel, die außerhalb des Crossover-Punkts nicht mehr die nachteiligen Raumladungseffekte zur Folge hat und damit keine Verschlechterung des Richtstrahlwerts hervorruft. Aufgrund dieser Strahlbündelung werden die mechanischen Einbauten kollisionsfrei passiert und die Hauptlinse auf einer relativ kleinen Fläche ausgeleuchtet, was gleichfalls zur fehlerfreien Übertragung des hohen Richtstrahlwerts beiträgt.
  • Die durch den hohen Richtstrahlwert bedingte höhere räumliche Energiekonzentration im Bereich der Aufschmelzzone des Werkstücks führt zu großen Schweißnahttiefen bei geringes tsomesntaner nufschinelzmasse. Dadurch lassen sich auf unkontrollierte Schmelz- und Erstarrungsprozesse im Bereich der Nahtwurzel zurückzuführende Fehler bei der Nahtausbildung weitgehend eliminieren. Durch die verbesserten Strahleigenschaften kaiin auch die Wirksamkeit einer gesteuerten Strahlbewegung, des sogenannten Strahlpendelns, gesteigert und die Nahtqualität weiter verbessert werden. Ein Strahlpendeln quer zur Strahlachse erlaubt eine Verbreiterung der Aufschmelzzone, ohne daß dadurch die Nahtqualität vermindert wird. Außerdem kann durch Variation des Erregerstroms der Zwischenlinse eine Vertikalpendelung des Strahlfokus durchgeführt werden, die beispielsweise mit Hilfe einer Mikroprozessoranordnung mit der Horizontalpendelung korreliert werden kann Zu diesem Zweck sollte die Grenzfrequenz für die Ummagnetisierung der Zwischenlinse mindestens 500 Hz, vorzugsweise 1 kHz betragen.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch eine zweilinsige Elektronen strahlschweißmaschine in schematischer, nicht maßstabsgetreuer Darstellung; Fig. 2 den Strahlerzeuger der Elektronenstrahlschweißmaschine mit Zwischenlinse und Vakuumdrossel in einer gegenüber Fig. 1 vergrößerten Schnittdarstellung; Fig. 3 ein Schema einer zweilinsigen Elektronenstrahlschweißmaschine mit mehreren Strahlverläufen zur Veranschaulichung des Arbeitsbereichs; Fig. 4 eine Anordnung zur automatischen Fokuseinstellung und Fokuspendelung; Fig. 5 ein Diagramm, das die Zeitabhängigkeit des Erregerstroms der Zwischenlinse bei einer vertikalen Fokuspendelung und eine mögliche Korrelation mit den Erregerströmen der Ablenkspulen für die horizontale Fokuspendelung zeigt.
  • Der Strahlerzeuger der Elektronenstrahlschweißmaschine besteht aus einer Elektronen emittierenden Glühkatode 10, einer durchbohrten Anode 12 und einer die Katode und gegebenenfalls auch den oberen Teil der Anode ringförmig umschließenden, als Rotationskörper ausgebildeten Wehnelt-Elektrode 14. Die Elektronen werden von der Katode 10 durch ein Hochspannungsfeld zur rohrförmigen Anode 12 hin beschleunigt. Mit Hilfe der gegenüber der Katode negativ vorgespannten Wehnelt-Elektrode 14 läßt sich der Elektronenstrom und die Stromdichteverteilung steuern.
  • Die Anode 10 ist an einem maschinenfesten Halter 16 befestigt und liegt über diesen auf Massepotential.
  • Im Raum hinter der Anode durchläuft das Elektronenstrahl bündel 18 eine elektromagnetische Zwischenlinse 20, einen Justierspulenspalt 22, eine elektromagnetische Hauptlinse 24 und den Spalt zwischen zwei Ablenkspulenpaaren 26 und wird auf das in der Arbeitskammer 28 auf einem Tisch 29 verschiebbar angeordnete Werkstück 30 fokussiert.
  • Die den Strahlerzeuger enthaltende Kammer 32 ist von der darunter befindlichen Arbeitskammer 28 durch eine Vakuumdrossel 34 getrennt, so daß über den VakUumanschluß 36 -4 im Strahlerzeugerraum ein niedrigerer Druck (10 torr) aufrechterhalten werden kann als über den Vakuumanschluß 38 in der Arbeitskammer (10 3 torr).
  • Der Strahlerzeuger ist so ausgelegt, daß ein hoher Richtstrahlwert R mit gut ausgeprägtem Crossrver-Punkt 40 zwischen Katode 10 und Anode 12 erhalten werden kann.
  • Dies kann vor allem durch die Wahl eines kleinen Abstands zwischen Katode und Anode von etwa 30 mm und weniger sowie eine spezielle Formgebung der Wehnelt-Elektrode 14, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, erreicht werden. Der einleitend definierte Richtstrahlwert eines Strahlerzeugers ist als hoch zu bezeichnen, wenn sein Betrag bei einer Strahlleistung von 10 kW und mehr den Wert 106 A/cm2sr übersteigt. Um eine möglichst fehlerfreie Übertragung des Richtstrahlwerts bis zum werkstückseitigen Fokus 42 zu gewährleisten, muß weiter dafür gesorgt werden, daß die Raumladungsverbreiterung des Elektronenstrahls im Bereich des Crossover-Punkts 40 so klein wie möglich ist, was durch einen relativ großen Öffnungswinkel t bei entsprechend kleinem Halbwertsradius rm im Crossover-Punkt erreicht werden kann. Auch diese Strahleigenschaft kann durch eine geeignete Wahl der geometrischen Verhältnisse im Strahlerzeuger und die sich daraus ergebende Potentialverteilung beeinflußt und optimiert werden. Der bisher bei Elektronenstrahlschweißmaschinen übliche Strahlöffnungswinkel bis zu etwa 10 3 rad kann bei einer entsprechenden optimierung um mehr als den Faktor 10 auf größenordnungsmäßig 10 -2rad vergrößert werden. Wie insbesondere in den Figuren 2 und 3 mit den strichpunktierten Strahlbegrenzungslinien schematisch angedeutet ist, würde dies bei einer gebräuchlichen einlinsigen Elektronenstrahlschweißmaschine, die nur die Hauptlinse aufweist, einmal bedeuten, daß die Hauptlinse 24 bei gegebenem Abstand von der Anode 12 auf einer relativ großen Fläche ausgeleuchtet wird, was wegen der unvermeidlichen Linsenfehler zu größeren Abbildungsfehlern und damit zu einer Verschlechterung des Richtstrahlwerts im Bereich des Strahlauftreffpunkts auf dem Werkstück führt. Außerdem kommt es mit einem derart aufgefächerten Elektronenstrahl eher zu Kollisionen mit den mechanischen Einbauten Diese Nachteile werden bei dem gezeigten zweilinsigen System mit Hilfe der unmittelbar hinter der Anode 12 am Anodenhalter 16 befestigten Zwischenlinse 20 ver mieden. Mit dieser Zwischenlinse 20 wird erreicht e daß der Öffnungswinkelt des Elektronenstrahls in einem Bereich, in dem die Raumladungseffekte keine Rolle mehr spielen, ohne Verschlechterung des Richtstrahlweæt v#r kleinert werden kann, so daß eine Kollision mit den Einbauten vermieden und die Ausleuchtfläche der Hauptlinse 24 verkleinert wird.
  • Die Befestigung der Zwischenlinse 20 auf der der Anode 14 gegenüberliegenden Seite des Anodenhalters 16 ermöglicht es, daß die Zwischenlinse ein für allemal bezüglich der Anodenöffnung und damit bezüglich des Strahlengangs mechanisch zentriert wird, so daß nur nach eine Justierung des Strahlengangs bezüglich der Hauptlinse 24 erforderlich ist, die mit einem einzigen0 hinter der Zwischenlinse 20 angeordneten Justierspulensatz 22 vorgenommen werden kann.
  • Wie insbesondere aus den beiden in Fig. 3 in durchgezogenen Linien eingezeichneten Strahlenverläuen zu ersehen ist, kann mit dem zweilinsigen System durch Variation der Linsenströme insbesondere in der Zwischenlinse 20 über einen weiten Arbeitsbereich A eine Fokussierung unter etwa dem gleichen, relativ kleinen Aperturwinkel erzielt werden. Damit ist es möglich, auch in der Na#he der Haupt linse 24 Tiefschweil3ungen durchzuführen, was bei Weglassung der Zwischenlinse 20 wegen des dann zu großen Aperturwinkels Schwierigkeiten bereiten würde. Mit dera zweilinsigen System wird somit gegenüber dei einlinsigen eine Vergröf3erung des verfügbaren Arbeitsbereichs A innerhalb der Arbeitskammer erzielt.
  • Das zweilinsige System ermöglicht ferner eine wirksame Vertikalpendelung, wenn die Zwischenlinse 20 als schnelle Linse ausgebildet ist. Man hat zwar bereits versucht, durch Steuerung des Erregerstroms der Hauptlinse Vertikalpendelungen auszuführen. Aufgrund der hohen Eigeninduktivität hat die Haupt linse jedoch eine relativ niedrige Grenzfrequenz in der Größenordnung von 50 Hz und weniger, die für eine wirksame Pendelung nicht ausreicht. Angestrebt wird eine Pendelfrequenz in der Größenordnung von 500 Hz bis 1 )tEz. Durcll die Verwendung einer hochpermeablen Abschirmung kann die Grenzfrequenz der Zwischenlinse ohne weiteres auf diese Größe gebracht werden. In Verbindung mit der Strahlpendelung in einer zur Werkstückoberfläche parallelen Ebene erhält man damit die Möglichkeit einer dreidimensionalen Fokuspendelung. Durch eine Korrelation der Vertikalpendelung mit den Pendelungen in der Horizontalebene kann eine optimale Anpassung an die Kapillardynamik beim Schmelz-und Erstarrungsprozeß und damit eine Verbesserung der.
  • Nahtausbildung vor allem im Bereich der Nahtwurzei erzielt werden.
  • Eine reproduzierbare Vertikalpendelung setzt voraus, daß der Elektronenstrahl zunächst auf das Werkstück fokussiert wird, was üblicherweise vom Operateur bei einem kleinen Strahlstrom durchgeführt wird. Außerdem muß gewährleistet werden, daß die Fokussierung bei jeder Schweißleistung erhalten bleibt. Bisher hat man sich damit geholfen, daß der Fokus im Leistungsbetrieb durch Steuerung des Hauptlinsenstroms auf eine bestimmte Lage eingestellt wird.
  • Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel kann durch Verwendung einer Meßblende 50, die oberhalb der Hauptlinse 24 angeordnet und auf maximale Ausleuchtung der Hauptlinse ausgelegt ist, über da gemessenen Blendenstrom als Regelgröße die Brennweite der Zusatzlinse durch Veränderung des Linsenstroms IL variiert und geregelt werden. Zu diesem Zweck ist ein Regler 52 vorgesehen, in dem ein dem Blendenstrom entsprechender, an einem Meßwiderstand 54 abgegriffener Spannungswert Uist mit einem Sollwert U5011 verglichen wird und dessen Ausgangssignal dem Verstärker 56 zur Steuerung des Linsenstroms zugeleitet wird. Der auf diese Weise bei einer vorgegebenen Schweißleistung eingeregelte Linsenstrom ILo definiert eine bestimmte Fokuslage innerhalb der Arbeitskammer. Der Linsenstrom 1 kann mit einem Meßgerät 58 gemessen und in einem Digitalspeicher eines Mikroprozessors' 60 abgespeichert werden.
  • Für die Durchführung einer Vertikalpendelung wird sodann der Regler 52 über einen durch den Mikroprozessor angesteuerten elektronischen Schalter 62 abgeschaltet und dem Verstärker 56 ein Signal zugeführt, das aus einer Überlagerung des abgespeicherten Stromwerts 1Lo und einem im Mikroprozessor erzeugten zeitabhängigen Pendelsignal I(t) gebildet wird Dadurch wird die Zwischenlinse 20 mit einem zeitabhängigen Erregerstrom IL beaufschlagt, wie er beispielsweise im oberen Diagramm der Fig. 5 dargestellt ist. Dies führt zu einer entsprechenden zeitlichen Variation der Brennweite des Linsensystems und damit der Fokuslage bezüglich der Werkstückoberfläche.
  • Für die Fokuspendelung in einer zur Werkstückoberfläche parallelen Ebene werden die Ablenkspulen 26 verwendet, mit denen der Elektronenstrahl seitlich ausgelenkt werden kann (vgl. Fig. 1). Die hierfür erforderlichen Ix, Iy Pendelsignale/können gleichfalls im Mikroprozessor 60 erzeugt und im Verstärker 64 in die entsprechenden Spulenströme umgesetzt werden. Die Pendelsignale für die drei Raumrichtungen können im Mikroprozessor so miteinander korreliert werden, daß ein optimales Schweißergebnis erhalten wird. In den Diagrammen nach Fig. 5 ist ein Beispiel für eine solche Korrelation aufgezeigt.

Claims (9)

  1. Elelctronenstrahlschweimaschine Patentansprüche Elektronenstrahlschweif3maschine mit einem eine Elektronen emittierende Katode, eine mit einer Bohrung für den Durchtritt des Elektronenstrahls versehene mindestens Anode und/eine zwischen Katode und rilode angeordnete Wehnelt-Elektrode aufweisenden Strahlerzeuger, einer im potentialfreien Raum hinter der Anode angeordneten, den Elektronenstrahl auf ein Werkstück fokussierenden elektromagnetischen Hauptlinse und einer im Raum zwischen Anode und Hauptlinse angeordneten elektromagnetischen Zwischenlinse, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Strahlerzeuger (10,12,14) für die Erzeugung eines Elektronenstrahls mit hohem Richtstrahlwert (R) und einem großen Strahlöffnungswinkel (y) ausgelegt ist, daß die Zwischenlinse (20) im Strahlengang unmittelbar hinter der rohrförmig ausgebildeten Anode (14) an einem die Anode tragenden maschinenfesten Halter (16) befestigt und für die Bündelung des Elektronenstrahls (18) auf einen kleineren, divergierenden Strahlöffnungswinkel eingestellt ist, und daß die Grenzfrequenz für die Ummagnetisierung der Zwischenlinse mindestens 500 Hz beträgt.
  2. 2. Elektronenstrahlschweißmaschine nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Bereich zwischen der Zwischenlinse (20) und der HaUpt linse (24) Justierspulen (22) angeordnet sind.
  3. 3. Elektronenstrahlschweißmaschine nach Anspruch 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , daß die Justierspulen (22) auf der von der Anode (12) abgewandten Seite der Zwischenlinse (20) befestigt sind.
  4. 4. Elektronenstrahlschweißmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Grenzfrequenz für die Ummagnetisierung der Zwischenlinse mindestens 1 kHz beträgt.
  5. 5. Elektronenstrahlschweißmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gek e n n z e ich -n e t , daß im Bereich zwischen der Zwischenlinse (20) und der Hauptlinse (24) ein längs der Elektronenstrahlachse ausgerichtetes, beispielsweise als Vakuumdrossel (34) oder als Strahlabschirmung ausgebildetes Rohr angeordnet ist.
  6. 6. Elektronenstrahlschweißmaschine nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der auf das Rohr oder auf eine im Strahlengang angeordnete Blende (50) gelangende Elektronenstrom an einem Meßwiderstand (54) mel3bar und mit Hilfe eines Regelkreises (52) durch Variation des Erregerstroms (IL) der Zwischen linse (20) auf einen vorgegebenen Wert (USO11) regelbar ist.
  7. 7. Elektronenstrahlschweißmaschine nach Anspruch 6, d a -d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , daß die über den Regelkreis (52) eingestellte Erregrrstromstärke (ILo) meßbar und digital abspeicherbar ist, und daß eine elektronische Schaltungsanordnung, vorzugsweise eine Mikroprozessoranordnung (60), vorgesehen ist, mittels der der Regelkreis (52) abschaltbar und die Zwischenlinse (20) mit einem Erregerstrom (IL) beaufschlagbar ist, dessen Wert durch eine Überlagerung des abgespeicherten Stromwerts- (IL,) mit einem in der Schaltungs- oder Mikroprozessoranordnung erzeugten zeitabhängigen Wert (Iz) bestimmt ist.
  8. 8. Elektronenstrahlschweißmasc-hine nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i ch n e t , daß im Strahlengang hinter der Hauptlinse (24) mit einem zeitabhängigen Erregerstrom beaufschlagbare Ablenkspulen (26) zur seitlichen Auslenkung des Elektronenstrahls angeordnet sind, und daß die Erregerstromstärke (Ix, Iy) y der einzelnen Ablenkspulen mittels der Schaltungs- oder Mikroprozessoranordnung (60) mit dem zeitabhängigen Überlagerungswert (Iz) des Erregerstroms der Zwischenlinse (20) korrelierbar ist.
  9. 9. Elektronenstrahlschweißmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Strahlerzeuger so ausgelegt ist, daß bei Schweißleistungen von mehr als 10 kW der Richtstrahlwert mindestens 106 A/cm2sr und der Strahlöffnungswinkel des aus dem Strahlerzeuger austretenden Strahls größer als 5 x 10 3 rad, vorzugsweise größer als 10 2 rad ist.
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