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Beschreibung
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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.
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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.
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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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenstrahlschweißmaschine
zu schaffen, die über einen weiten Arbeitsbereich innerhalb der Schweißkammer gute
Tiefschweißeigenschaften aufweist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Anode 10 ist an einem maschinenfesten Halter 16 befestigt und
liegt über diesen auf Massepotential.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nahtausbildung vor allem im Bereich der Nahtwurzei erzielt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.