DE3505857C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und Regelung der Brennpunktposition eines Elektronenstrahlbündels einer Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung, wobei

• a) das Elektronenstrahlbündel von einer Elektronenkanone ausgestrahlt, von einer elektromagnetischen Kondensorlinse gesammelt und auf ein Werkstück (WK) gerichtet wird,
• b) ein vom Werkstück reemittiertes Elektronenstrahlbündel aufgefangen und dessen Intensität als Steuersignal gemessen wird, und
• c) das Steuersignal herangezogen wird, um den Strom der elektromagnetischen Kondensorlinse bei gleichzeitiger Verschiebung des Brennpunktes längs der Achse des Elektronenstrahlbündels so lange zu ändern, bis der Intensitätsverlauf des reemittierten Elektronenstrahlbündels ein Extremum und der Brennpunkt des Elektronenstrahlbündels auf dem Werkstück einen minimalen Durchmesser aufweist,

sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der DE-AS 19 41 255 bekannt. Während der Durchführung einer Schweißung bewirkt jede Änderung der Fokussierung infolge einer Änderung des Abstandes der Schweißstelle eine Änderung des vom Werkstück ausgehenden Stromes und infolgedessen ein unmittelbares Ansprechen eines Reglers, der seinerseits eine Änderung der Fokussierungseinstellung bis zu einem neuen optimalen Wert hin bewirkt. Es wird daher bei dem bekannten Verfahren und bei dieser bekannten Vorrichtung während des Arbeitsvorganges mit dem sogenannten Arbeits-Elektronenstrahl fokussiert.

Auch war es bisher üblich, das Fokussieren eines Elektronenstrahlbündels durch Ausrichtung eines Elektronenstrahlbündels auf einen sogenannten Attrappenblock durchzuführen, um so vor dem eigentlichen Arbeitsgang den Stromfluß durch eine elektromagnetische Kondensorlinse zu regeln. Ein solches konventionelles Verfahren weist den Nachteil auf, daß das Feststellen und das Regeln des Elektronenstrahlbündels abhängig ist von der Bedienungsperson, welche die Fokussierung anhand des sogenannten Atrappenblockes durchführt.

In den Fig. 1A bis 3A sind Brennpunktpositionen von Elektronenstrahlbündeln dargestellt, während die Fig. 1B bis 3B entsprechende Profile von Schweißbereichen zeigen.

Wenn beispielsweise in den Fig. 1A und 1B ein Elektronenstrahlbündel EB exakt auf der Oberfläche des Werkstückes WK fokussiert ist, wird das Schweißen bis zu einer gewissen Tiefe hin mit einem kleinen Durchmesser durchgeführt. Wenn auf der anderen Seite der Brennpunkt innerhalb des Werkstückes WK liegt, wie dies in den Fig. 2A und 2B dargestellt ist, wird die Schweißtiefe kleiner als in dem Falle, der in den Fig. 1A und 1B dargestellt ist, wobei jedoch der Durchmesser entsprechend größer ist. Wenn der Brennpunkt oberhalb der Werkstückoberfläche liegt, wie dies in den Fig. 3A und 3B dargestellt ist, wird das Schweißprofil ähnlich der Form und Gestalt eines kurzen dicken Nagels. Solche Schweißprofile sind nachteilig. Aus der JP-OS 48-339 ist eine Technik bekannt, bei der Licht, welches durch ein Elektronenstrahlbündel erzeugt wird und von der Oberfläche eines Werkstückes reflektiert wird, durch eine Anzeigevorrichtung abgetastet und zur Regelung der Fokussierung ausgenutzt wird. Die Energie des für die Regelung verwendeten Elektronenstrahlbündels ist sehr viel kleiner als die des Elektronenstrahlbündels, welches zum Schmelzen des Werkstückes benutzt wird. Somit ist es notwendig, daß die Elektronenstrahl-Bündelenergie nach Beendigung der Regelung erhöht werden muß. Hierbei ist es nachteilig, daß eine mögliche Änderung der Fokussierungsposition bedingt durch ein Ansteigen der Elektronenstrahlen-Bündelenergie nicht berücksichtigt wird. Daher muß die Bedienungsperson eine eventuelle Defokussierung ausgleichen.

Aus der Zeitschrift "IIW-Doc No. IV/57/71" wird in dem Artikel "Automatisches Fokussieren beim Hochleistungselektronenstrahlbündelschweißen" von Eggers eine Technik beschrieben, in der Elektronen, die von einem Werkstück reflektiert werden, dazu verwendet werden, um die Position des Brennpunktes zu bestimmen, während die Brennpunktsposition geändert wird. Hierzu sind ein Paar von Elektronenkollektoren vorgesehen. Hierzu wird das Schweißstrahlenbündel direkt herangezogen. Komplizierte elektronische Schaltungen sind notwendig, um einen unerwünschten Schweißzustand zu vermeiden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, mit dessen bzw. deren Hilfe eine schnelle und präzise Einstellung des Brennpunktes des Elektronenstrahlbündels erfolgt, bevor das Elektronenstrahlbündel mit voller Intensität auf das Werkstück gerichtet wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, daß

• d) für die Ausrichtung des Brennpunktes des Elektronenstrahlbündels auf das Werkstück gemäß den Schritten a) bis c) in der Elektronenkanone für das Elektronenstrahlbündel eine erste Intensität eingestellt wird, die als Pilot-Intensität niedriger ist als die Betriebs-Intensität,
• e) der Strom durch die elektromagnetische Kondensorlinse gemäß Schritt c) linear geändert wird,
• f) mit dem Stromwert für das Extremum der Intensität des reemittierten Elektronenstrahlbündels und der Pilot-Intensität des Elektronenstrahlbündels als Korrektur-Parameter eine Korrekturdaten-Gruppierung aus einer Vielzahl von abgespeicherten Korrekturdaten- Gruppierungen ausgewählt wird, bei denen das Elektronenstrahlbündel auf dem Werkstück fokussiert ist, und
• g) anhand dieser Korrekturdaten-Gruppierung sowohl die Intensität des Elektronenstrahlbündels von der Pilot- Intensität auf die Betriebs-Intensität als auch entweder der Strom durch die elektromagnetische Kondensorlinse auf den Wert bei Konstanthalten der Werk­ stückposition gegenüber der Elektronenkanone oder der Abstand zwischen der Elektronenkanone und dem Werkstück auf den Abstand bei Konstanthalten des Stroms durch die elektromagnetische Kondensorlinse vergrößert wird.

Die Aufgabe wird darüber hinaus durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit

• a) einer Elektronenkanone zur Ausstrahlung eines Elektronenstrahlbündels,
• b) einer elektromagnetischen Kondensorlinse,
• c) einer Auffangelektrode, die zwischen der elektromagnetischen Kondensorlinse und einem Werkstück angeordnet ist, und
• d) einer Auswerteschaltung, die durch das durch die Auffangelektrode ermittelte Steuersignal beeinflußbar ist, um ein Extremum des Steuersignalverlaufs in Abhängigkeit vom Strom durch die elektromagnetische Kondensorlinse zu ermitteln, bei dem der Brennpunkt des Elektronenstrahlbündels sich auf der Werkstückoberfläche befindet, gelöst,

die gekennzeichnet ist durch:

• e) eine Speichereinrichtung zur Speicherung einer Vielzahl von Korrekturdaten-Gruppierungen, von denen jede Korrekturdaten-Gruppierung die Abhängigkeit der Intensität des Elektronenstrahlbündels der Elektronenkanone in Abhängigkeit vom Strom durch die elektromagnetische Kondensorlinse oder vom Abstand des Werkstücks von der Elektronenkanone bei Fokussierung des Elektronenstrahlbündels auf dem Werkstück aufzeigt, und
• g) eine Verarbeitungseinrichtung zur Steuerung der Position des Werkstückes oder des Stroms durch die elektromagnetische Kondensorlinse in Abhängigkeit von den Korrekturdaten-Gruppierungen sowie der Intenstität des Elektronenstrahlbündels der Elektronenkanone.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand von den Figuren beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1A bis 3B Beziehungen zwischen Fokussierungspositionen eines Elektronenstrahlenbündels auf einem Werkstück und Schmelzteichprofile eines Bereiches des geschweißten Werkstückes mit Hilfe des Elektronenstrahlbündels,

Fig. 4 eine Blockschaltung für eine erste Ausführungsform,

Fig. 5 die Erzeugung von Sekundärelektronen und Röntgenstrahlen auf der Werkstückoberfläche als Ergebnis der Abstrahlung von dem Werkstück mit dem Elektronenstrahlenbündel,

Fig. 6 ein Beispiel einer Spulenstromveränderung einer elektromagnetischen Kondensorlinse aufgrund der Fokussierungspositionsregelung,

Fig. 7 ein Beispiel der Änderung der Sekundärelektronenstrahlenbündelintensität,

Fig. 8 ein Beispiel der Beziehung zwischen dem Elektronenstrahlenbündelstrom und dem Spulenstrom der elektromagnetischen Kondensorlinse,

Fig. 9 ein Beispiel der Beziehung zwischen dem Elektronenstrahlenbündelstrom und der Brennweite,

Fig. 10 ein Beispiel der Änderung der Röntgenstrahlenintensität,

Fig. 11 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 12 eine Elektronenauffangelektrode,

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Beziehung des Elektronenkollektorpotentials und der ermittelten Strahlung eines Elektronenstrahlbündels von dem Werkstück,

Fig. 14 eine graphische Darstellung der Energieverteilung verschiedener Elektronen, welche von dem Werkstück abgestrahlt oder ausgesendet werden,

Fig. 15 eine graphische Darstellung ähnlich der von Fig. 7, für eine andere örtliche Spitzenverteilung und

Fig. 16 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Elektronenkollektors.

In den Fig. 4 und 5 ist ein Pilotelektronenstrahlenbündel EB, welches von einer Elektronenkanone 10 ausgestrahlt wird, auf ein Werkstück WK gerichtet. Im Weg des Elektronenstrahlenbündels EB sind eine elektromagnetische Kondensorlinse und eine Elektronen-Auffangelektrode 14 vorgesehen. Die elektromagnetische Kondensorlinse 12 besteht aus einer Spule, durch die der Grad der Bündelung bzw. des Sammelns des Elektronenstrahlenbündels EB im Wege der Steuerung des Stromflusses durch die Spule geregelt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Strom in der Kondensorlinsenspule zeitabhängig geändert, wie dies aus Fig. 6 zu sehen ist. Die Stromänderung wird so eingestellt, daß das Elektronenstrahlenbündel EB auf dem Werkstück WK in einer Arbeitskammer (nicht dargestellt) fokussiert wird, unabhängig von seiner Position in der Kammer. Die Fokussierungspositionsregelung wird mittels eines Elektronenstrahlenbündels aufgeführt, dessen Energie kleiner ist als die zum Arbeiten notwendige, nämlich zur Durchführung einer tatsächlichen Schweißoperation notwendige Energie.

Eine Elektronen-Auffangelektrode 14 stellt das reflektierte Elektronenstrahlenbündel fest. Ein Röntgenstrahlensensor 16 ist in der Nähe des Fokuspunktes des Elektronenstrahlenbündels EB auf das Werkstück WK angeordnet, um Röntgenstrahlen RX zu ermitteln, die von diesem abgestrahlt werden. Wenn gewünscht, kann entweder die Elektronenauffangelektrode 14 oder der Röntgenstrahlsensor 16 weggelassen werden.

Eine Auffangelektroden-Leistungsquelle 18 ist zwischen der Elektronen-Auffangelektrode 14 und dem Werkstück WK angeordnet. Die Auffangelektroden-Leistungsquelle 18 kann ein Potential auf die Elektronen-Auffangelektrode 14 übertragen, welches positiv oder negativ in bezug auf das Potential des Werkstückes WK ist. Wenn das Werkstück WK mit dem Elektronenstrahlenbündel EB bestrahlt wird, werden von diesem ein reemittiertes Strahlenbündel (RB) und Röntgenstrahlen (RX) erzeugt. Das reemittierte Elektronenstrahlenbündel RB umfaßt reflektierte Elektronen, sekundäre Elektronen und thermische Elektronen. Die Energie dieser Elektronen stehen wie folgt in Beziehung:
Reflektierte Elektronenenergie < Sekundäre Elektronenenergie
Reflektierte Elektronenenergie < Thermische Elektronenenergie

Wenn daher ein negatives Potential an die Elektronen- Auffangelektrode 14 durch die Auffangelektroden-Leistungsquelle 18 angelegt wird, erreichen nur die reflektierten Elektronen die Elektronen-Auffangelektrode 14, während, wenn das Potential der Elektronen-Auffangelektrode 14 positiv ist, Sekundärelektronen und thermische Elektronen die Elektronen-Auffangelektrode 14 erreichen zusätzlich zu den reflektierten Elektronen. Die Auffangelektrode 14 und/oder der Röntgenstrahlensensor 16 liefern elektrische Signale, die kennzeichnend sind für die Gegenwart des reemittierten Elektronenstrahlenbündels RB und des Röntgenstrahlenbündels RX. Diese Signale ändern sich mit dem Betrag der Versetzung des Fokussierungspunktes des Elektronenstrahlenbündels EB.

Die Elektronen-Auffangelektrode 14 ist mit einer Speichereinrichtung 20 zur Speicherung des Steuersignalverlaufs der Intensität des reemittierten Elektronenstrahlbündels RB und dem Röntgenstrahlensensor 16 über einen Verstärker 22 mit der Speichereinrichtung 20 verbunden, die zeitweilig bzw. kurzzeitig den Signalverlauf der ihr zugeführten Steuersignale speichert. Der Verstärker 22 wird verwendet, um das Ausgangssignal des Röntgenstrahlensensors 16 zu verstärken.

Der Ausgang der Speichereinrichtung 20 ist mit einer als Verarbeitungseinrichtung verwendeten Computer-Verarbeitungseinheit 24 verbunden, die die Signalverläufe der Steuersignale analysiert, welche in der Speichereinrichtung gespeichert sind und welche ein Steuersignal entsprechend Korrekturdaten (weiter unten beschrieben) sowie ein Ergebnis der Analyse liefert.

Die Computer-Verarbeitungseinrichtung 24 ist mit einer Steuervorrichtung 26 verbunden, die ihrerseits mit der Elektronenkanone 10 und der Kondensorlinse 12 verbunden ist. Die Elektronenkanone 10 und die Kondensorlinse 12 werden durch Steuersignale gesteuert, die von der Computer-Verarbeitungseinheit 24 unter der Steuerung der Steuervorrichtung 26 abgeleitet werden.

Wenn die Fokusposition beim Betrieb festgestellt wird und geregelt wird durch das reemittierte Elektronenstrahlenbündel RB, wird die Elektronen-Auffangelektrode 14 als Detektor verwendet. Das Elektronenstrahlenbündel EB wird mit einer verringerten Energie auf das Werkstück WK gerichtet. Sodann wird der Strom, der durch die Kondensorlinse 12 fließt, linear verstärkt wie in Fig. 6 gezeigt.

Eine Kurve A zeigt in Fig. 7 die Intensität des reemittierten Elektronenstrahlenbündels RB, d. h. die Größe des Ausgangssignals der Elektronen-Auffangelektrode 14, wenn der Strom in der Kondensorlinse 12 gemäß Fig. 6 vergrößert wird, wobei das Potential der Auffangelektrode 14 in bezug auf das Werkstück WK positiv ist, und eine Kurve B zeigt das gleiche bei negativem Potential.

Wie bereits zuvor beschrieben werden alle reflektierten Elektronen, Sekundärelektronen und thermische Elektronen durch die Elektronen-Auffangelektrode 14 empfangen, wenn ihr Potential positiv ist. Wenn in diesem Falle das Strahlenbündel RB auf der Oberfläche des Werkstückes WK fokussiert ist, und der Kondensorlinsen-Spulenstrom linear verstärkt wird, nimmt die Temperatur des letzteren zu; desgleichen nimmt der Wert der thermischen Elektronenerzeugung zu. Somit nimmt die reemittiere Elektronenstrahlenbündel- Intensität lokal zu, wie dies durch die Kurve A in Fig. 7 gezeigt ist. Der Wert i des Kondensorlinsenstromes im Zeitpunkt t, in dem die Spitzenintensität erhalten wird, entspricht der fokussierten Position wie in Fig. 6 gezeigt.

Wenn das Potential der Elektronen-Auffangelektrode 14 negativ ist, erreichen nur reflektierte Elektronen die Elektronen- Auffangelektrode 14. In diesem Falle nimmt der Durchmesser des Elektronenbrennfleckes auf der Oberfläche des Werkstückes WK ab bei Zunahme des Kondensorlinsen- Spulenstromes und wird ein Minimum im Zeitpunkt t, wobei er bei weiter ansteigendem Strom abnimmt. Das bedeutet, daß das Elektronenstrahlenbündel EB auf der Werkstückoberfläche fokussiert wird, auf der die Strahlenbündeldichte groß genug wird, um den fokussierten Bereich der Oberfläche zu schmelzen und zu verdampfen. Hierbei wird der tatsächliche Oberflächenpegel des Bereiches abgesenkt, welcher bewirkt, daß die Strahlungsintensität örtlich reduziert wird, wie dies durch die Kurve B in Fig. 7 gezeigt ist. Der Strom i, der durch die Kondensorlinse 12 im Zeitpunkt t der lokalen Reduzierung der reemittierten Elektronenstrahlenbündelstärke in Fig. 6 fließt, entspricht der Fokusposition.

Die Ausgangssignalverläufe der an der Elektronenauffangelektrode 14 auftretenden Steuersignale dargestellt durch die Kurven A und B in Fig. 7, werden kurzzeitig in der Speichereinrichtung 20 gespeichert.

Die Computer-Verarbeitungseinheit 24 speichert Korrekturkurven, von denen eine in Fig. 8 dargestellt ist, und Korrekturkurven, von denen eine in Fig. 9 dargestellt ist und liefert ein Steuersignal in Übereinstimmung mit den Daten, die von diesen Korrekturkurven erhalten wurden, welches zur Steuervorrichtung 26 gesendet wird.

In dem Fall, wo die Steuerung auf der Basis der Korrekturdaten ausgeführt wird, die gemäß Fig. 8 erhalten wurden, welche eine Kurve aus einem Satz von Kurven ist, von denen jede den Spulenstrom der Kondensorlinse 12 für eine feste Fokusposition anzeigt, während der Elektronenstrahlenbündelstrom geändert wird, umfassen die Daten eine Vielzahl von Korrekturkurven, von denen jede für unterschiedliche Abstände (Arbeitsabstände) zwischen der Kondensorlinse 12 und dem Werkstück WK gilt.

In der Computer-Verarbeitungseinheit 24 wird die Zeit erhalten, bei der die Wellenformen, die in der Speichereinheit 20 gespeichert sind, einen lokalen Wert (Fig. 7) zeigen. Sodann wird der Strom der Kondensorlinsenspule entsprechend der Zeit t aus Fig. 6 erhalten. Danach wird eine der Korrekturkurven entsprechend einem spezifischen Arbeitsabstand in der Verarbeitungseinheit 24 ausgewählt. Wenn z. B. der Strom der Kondensorlinsenspule, der in der Verarbeitungseinheit 24 erhalten wird, IC1 ist und der Elektronenstrahlenbündelstrom IE1 ist, ist die auszuwählende Korrekturkurve so wie in Fig. 8 dargestellt. Das bedeutet, daß die Korrekturkurve entsprechend einem spezifischen ausgewählten Arbeitsabstand eine solche ist, die durch einen Schnittpunkt des Stroms der Kondensorlinsenspule und des Elektronenstrahlenbündelstromes IE1 läuft.

Unter Verwendung der Korrekturkurve, die wie oben beschrieben ausgewählt wurde, kann der Strom IC2 der Kondensorlinse 12 entsprechend dem Arbeitsstrom IE2 des Elektronenstrahlenbündels EB gemäß Fig. 8 erhalten werden. Entsprechend diesen Datenwerten wird ein Steuersignal erzeugt und zur Steuereinrichtung 26 gesendet, die die Elektronenkanone 10 und die Kondensorlinse 12 steuert, so daß der Elektronenstrahlenbündelstrom auf IE2 gesetzt wird und der Strom der Kondensorlinse 12 erneut auf IC2 geregelt wird.

Wenn die Steuerung auf der Basis der Korrekturdaten gemäß Fig. 9 durchgeführt werden soll, welche eine Kurve unter einem Satz von Kurven ist, die die Beziehung der Brennweite zum Elektronenstrahlenbündelstrom anzeigen, bestimmt die als Verarbeitungseinrichtung verwendete Verarbeitungseinheit 24 den Strom der Spule der Kondensorlinse 12, wenn der Brennpunkt in der gleichen Weise wie zuvor erwähnt geregelt wird. Sodann wird die Korrekturkurve gemäß Fig. 9 ausgewählt entsprechend dem Stromwert der Spule der Kondensorlinse 12. Wenn unter diesem Blickwinkel der Elektronenstrahlenbündelstrom während der Fokusregelungsoperation den Wert IE3 aufweist, ist die Position des Werkstückes WK und somit die Brennweite während der Fokusregelungsoperation LW1. Von diesem kann die Brennweite LF2 entsprechend dem Elektronenstrahlenbündel-Arbeitsstrom IE4 während der Bearbeitungsoperationen erhalten werden. Das Steuersignal wird als Ergebnis dieser Datenwerte d. h. LF1, LF2, IE4 vorbereitet und zur Steuervorrichtung 26 gesandt. Die Steuervorrichtung 26 steuert auf das Steuersignal hin die Elektronenkanone 10 und einen Tisch (nicht dargestellt), auf dem das Werkstück WK befestigt ist. Das bedeutet, daß die Steuervorrichtung 26 die Elektronenkanone 10 steuert, so daß der Elektronenstrahlenbündelstrom den Wert IE4 annimmt und den Tisch steuert, so daß die Brennweite von LF1 auf LF2 geändert wird.

Wie aus dem vorhergehenden ersichtlich ist, wenn die Korrekturdaten aus den Korrekturkurven gemäß Fig. 8 erhalten werden, wird der Strom der Spule der Kondensorlinse 12 geregelt, während die Position des Werkstückes WK unverändert ist. Wenn im Gegenteil hierzu die Korrekturdaten aus den Korrekturkurven gemäß Fig. 9 erhalten werden, wird die Position des Werkstückes WK geregelt, während der Strom der Spule der Kondensorlinse 12 unverändert ist.

In einem Fall, wo die Bestimmung und Regelung der Fokusposition mit Röntgenstrahlen (RX) ausgeführt wird, wird der Röntgenstrahlensensor 16 verwendet. In diesem Falle wird das Werkstück WK mit einem Elektronenstrahlenbündel bestrahlt, wie im vorhergehenden Fall. Dann wird der Strom der Spule der Kondensorlinse 12 geändert, wie aus Fig. 6 zu sehen ist. Die resultierende Änderung der Röntgenstrahlenintensität, d. h. das Ausgangssignal des Röntgenstrahlensensors 16 ist in Fig. 10 dargestellt, was der Kurve B in Fig. 7 entspricht, wenn die Elektronenauffangelektrode 14 auf negativem Potential liegt. Das bedeutet, wenn das Elektronenstrahlenbündel EB auf die Oberfläche des Werkstückes WK fokussiert ist, wird die Elektronenstrahlenbündeldichte erhöht und ein winziger Bereich desselben wird geschmolzen und verdampft mit der Wirkung, daß der tatsächliche Oberflächenpegel dieses Bereiches des Werkstückes WK abgesenkt wird. Somit wird die Intensität der Röntgenstrahlen von dem Werkstück örtlich verringert.

Das in Fig. 10 gezeigte Signal wird durch den Verstärker 22 verstärkt und in der Speichereinrichtung 20 gespeichert. Die folgenden Operationen sind die gleichen wie die im Zusammenhang mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen.

In einigen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele wird die Brennpunktregelung durch Bestrahlung des Werkstückes direkt mit einem Elektronenstrahlenbündel ausgeführt. Jedoch ist es auch möglich, ein geeignetes Teil zu verwenden, das auf dem Werkstück positioniert ist, um es mit einem Elektronenstrahlenbündel zu bestrahlen. Der letztere Fall ist geeignet, wenn kleine Defekte oder Fehlstellen auf der Werkstückoberfläche vermieden werden sollen.

Es ist möglich, die Fokusposition exakt zu bestimmen und sie mit hoher Präzision zu regeln, unabhängig von der Fähigkeit der Bedienungsperson. Da außerdem die Änderung der Fokusposition resultierend aus der Differenz im Strahlenbündelstrom zwischen der Fokusbestimmungsperiode und der tatsächlichen Arbeitsperiode auf der Basis der vorläufig bzw. eingangs erhaltenen Korrekturdaten korrigiert wird, wird die Zeitperiode, die zur Regelung der Fokusposition erforderlich ist, verkürzt. Es ist möglich, die Fokuspositionsregelung automatisch auszuführen.

Fig. 11 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, welches sich vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 dadurch unterscheidet, daß die Stromwellenform der Kondensorlinse 12 und die Ausgangswellenform der Elektronenauffangelektrode 14 kurzzeitig in der Speichervorrichtung 20 gespeichert werden, wobei es keine Steuervorrichtung 26 gibt und wobei die Elektronenauffangelektrode 14 aus einem Paar von koaxial angeordneten Gliedern A und B gebildet ist, wie aus Fig. 12 ersichtlich ist. Eine Leistungsquelle 18, die zwischen den koaxialen Teilen A und B und dem Werkstück WK vorgesehen ist, liefert zwischen ihnen eine Potentialdifferenz.

Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen dem Potential der Elektronenauffangelektrode 14 und der Intensität des hierdurch ermittelten Elektronenstrahlenbündels RB, in dem die Elektronenintensität abrupt um den Nullpunkt des Potentials herum geändert wird. Die letztgenannte Änderung hängt von der Energieverteilung der drei Elektronenstrahlenbündel ab, wie aus Fig. 14 zu sehen ist.

In Fig. 14 entsprechen die Energieverteilungen A, B und C jeweils den thermischen Elektronen, Sekundärelektronen und reflektierten Elektronen. Wie ohne weiteres hieraus verständlich ist, erreichen nur die reflektierten Hochenergieelektronen des abgestrahlten Elektronenstrahlenbündels EB eines der Teile der Auffangelektrode 14, an die negatives Potential angelegt ist. Das andere Teil, an das ein positives Potential angelegt ist, empfängt Sekundärelektronen und thermische Elektronen, welche niedrige Energie aufweisen. Die Elektronenauffangelektrode 14 liefert ein elektrisches Signal, welches diesen Verhältnissen entspricht. Daher ändert sich das Ausgangssignal der Elektronenauffangelektrode 14 mit dem Fokussierungszustand des Elektronenstrahlenbündels EB.

Im Betrieb wird das Elektronenstrahlenbündel EB auf das Werkstück WK ausgerichtet. Dann wird der Strom der Spule der Kondensorlinse 12 erhöht, wie in Fig. 6 dargestellt.

In diesem Falle nimmt der Brennfleckdurchmesser des Elektronenstrahlenbündels EB auf dem Werkstück WK mit der Zeit auf einen Minimumwert ab, bei dem das Strahlenbündel EB auf der Oberfläche fokussiert ist und nimmt dann zu. In der Zeit, in der der Brennfleckdurchmesser des Strahlenbündels EB ein Minimum wird, wird der Bereich der Werkstückoberfläche, auf den das Strahlenbündel fällt, geschmolzen und verdampft. Das Ausgangssignal der Elektronenauffangelektrode 14 wird so wie in Fig. 7 dargestellt.

Wenn der Stromwert des Elektronenstrahlenbündels EB für die Fokussierungsbestimung klein ist, ist die Menge des Werkstückbereiches, welcher geschmolzen und verdampft wird, hierdurch klein. Außerdem ist die Änderung des Signales, das durch das reflektierte Elektronenstrahlenbündel erzeugt wurde, klein. Somit wird es schwierig, das Fokussieren durch den Spitzenwert der Kurve B von Fig. 7 zu bestimmen. Wenn darüber hinaus das Strahlenbündel, welches durch die thermischen Elektronen verursacht ist, verbreitert wird, ist es schwierig, die Fokussierung exakt zu bestimmen.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden die Ausgangssignale der Teile der Elektronenauffangelektrode 14 in der Speichervorrichtung 20 zusammen mit der Stromkurve der Spule der Kondensorlinse 12 gespeichert. Die Computer-Verarbeitungseinheit 24 verarbeitet diese gespeicherten Daten, um den Kondensorlinsenspulenstromwert zu bestimmen, bei dem das Elektronenstrahlenbündel EB auf dem Werkstück WK fokussiert wird. Diese Anordnung ist außerdem wirksam, wenn die Spitzen in der Wellenform nicht einfach sind, wie in Fig. 7 gezeigt, d. h. relativ komplex so wie in Fig. 15 gezeigt ist.

Die Elektronenauffangelektrode 14 ist in Fig. 12 gezeigt. Sie setzt sich zusammen aus zwei koaxial angeordneten Teilen A und B. Als Alternative können die Teile der koaxialen Teile drei oder mehr sein, und zwar mit unterschiedlichen an diese anzulegenden Potentialen. Alternativ kann die Elektronenauffangelektrode 14 die Form einer Vielzahl von Sektoren aufweisen, wie aus Fig. 16 zu sehen ist. Mit dieser Elektronenauffangelektrode können unterschiedliche Arten von Elektronen, die von dem Werkstück abgestrahlt werden, getrennt aufgefangen werden.

Der Strom der Spule der Kondensorlinse 12 kann gegenüber der Darstellung von Fig. 6 unterschiedlich verringert werden und zwar solange, wie dies linear geschieht.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung und Regelung der Brennpunktposition eines Elektronenstrahlbündels einer Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung, wobei

• a) das Elektronenstrahlbündel von einer Elektronenkanone (10) ausgestrahlt, von einer elektromagnetischen Kondensorlinse (12) gesammelt und auf ein Werkstück (WK) gerichtet wird,
• b) ein vom Werkstück reemittierendes Elektronenstrahlbündel (RB) aufgefangen und dessen Intensität als Steuersignal gemessen wird, und
• c) das Steuersignal herangezogen wird, um den Strom der elektromagnetischen Kondensorlinse (12) bei gleichzeitiger Verschiebung des Brennpunktes längs der Achse des Elektronenstrahlbündels so lange zu ändern, bis der Intensitätsverlauf des reemittierten Elektronenstrahlbündels (RB) ein Extremum und der Brennpunkt des Elektronenstrahlbündels (EB) auf dem Werkstück einen minimalen Durchmesser aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• d) für die Ausrichtung des Brennpunktes des Elektronenstrahlbündels (EB) auf das Werkstück (WK) gemäß den Schritten a) bis c) in der Elektronenkanone (10) für das Elektronenstrahlbündel eine erste Intensität (IE1 bzw. IE3) eingestellt wird, die als Pilot-Intensität niedriger ist als die Betriebs-Intensität (IE2 bzw. IE4),
• e) der Strom durch die elektromagnetische Kondensorlinse (12) gemäß Schritt c) linear geändert wird,
• f) mit dem Stromwert (IC1) für das Extremum der Intensität des reemittierten Elektronenstrahlbündels (RB) und der Pilot-Intensität (IE1 bzw. IE3) des Elektronenstrahlbündels (EB) als Korrektur- Parameter eine Korrekturdaten-Gruppierung aus einer Vielzahl von abgespeicherten Korrekturdaten- Gruppierungen ausgewählt wird, bei denen das Elektronenstrahlbündel (EB) auf dem Werkstück (WK) fokussiert ist, und
• g) anhand dieser Korrekturdaten-Gruppierung sowohl die Intensität des Elektronenstrahlbündels (EB) von der Pilot-Intensität (IE1 bzw. IE3) auf die Betriebs-Intensität (IE2 bzw. IE4) als auch entweder der Strom (IC1) durch die elektromagnetische Kondensorlinse (12) auf den Wert (IC2) bei Konstanthalten der Werkstückposition gegenüber der Elektronenkanone (10) oder der Abstand (LF1) zwischen der Elektronenkanone (10) und dem Werkstück (WK) auf den Abstand (LF2) bei Konstanthalten des Stroms durch die elektromagnetische Kondensorlinse (12) vergrößert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß Schritt b) neben dem reemittierten Elektronenstrahlbündel (RB) zusätzlich auf der Werkstückoberfläche erzeugte Röntgenstrahlen (RX) aufgefangen und als Steuersignale gemessen werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit

• a) einer Elektronenkanone (10) zur Ausstrahlung eines Elektronenstrahlbündels (EB),
• b) einer elektromagnetischen Kondensorlinse (12),
• c) einer Auffangelektrode (14), die zwischen der elektromagnetischen Kondensorlinse (12) und einem Werkstück (WK) angeordnet ist, und
• d) einer Auswerteschaltung, die durch das durch die Auffangelektrode (14) ermittelte Steuersignal beeinflußbar ist, um ein Extremum des Steuersignalverlaufs in Abhängigkeit vom Strom durch die elektromagnetische Kondensorlinse (12) zu ermitteln, bei dem der Brennpunkt des Elektronenstrahlbündels (EB) sich auf der Werkstückoberfläche (WK) befindet,

gekennzeichnet durch:

• e) eine Speichereinrichtung zur Speicherung einer Vielzahl von Korrekturdaten-Gruppierungen, von denen jede Korrekturdaten-Gruppierung die Abhängigkeit der Intensität des Elektronenstrahlbündels (EB) der Elektronenkanone (10) in Abhängigkeit vom Strom durch die elektromagnetische Kondensorlinse (12) oder vom Abstand des Werkstücks von der Elektronenkanone (10) bei Fokussierung des Elektronenstrahlbündels (EB) auf dem Werkstück (WK) aufzeigt, und
• g) eine Verarbeitungseinrichtung (24) zur Steuerung der Position des Werkstückes (WK) oder des Stroms durch die elektromagnetische Kondensorlinse (12) in Abhängigkeit von den Korrekturdaten-Gruppierungen sowie der Intensität des Elektronenstrahlbündels (EB) der Elektronenkanone (10).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (24) auf eine Steuervorrichtung (26) wirkt, die ausgangsseitig sowohl mit der Elektronenkanone (18) als auch mit der elektromagnetischen Kondensorlinse (12) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Kondensorlinse (12) und die Auffangelektrode (14) mit der Speichereinrichtung (20) zur Speicherung der Wellenform verbunden ist (Fig. 11).

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangelektrode aus mehreren ringartigen Segmenten (A; B) aufgebaut ist (Fig. 12).

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangelektrode aus mehreren Sektoren (A, B, C und D) aufgebaut ist (Fig. 16).

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxialen Segmente bzw. die einzelnen Sektoren der Auffangelektrode an unterschiedliche Potentiale angeschlossen sind, um die unterschiedlichen Arten der reemittierten Elektronen getrennt zu erfassen.