DE3718177A1

DE3718177A1 - Einrichtung fuer elektronenstrahlfokussierung, insbesondere beim elektronenstrahlschweissen

Info

Publication number: DE3718177A1
Application number: DE19873718177
Authority: DE
Inventors: Ansgar Schmidt
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: PTR PRAEZISIONSTECHNIK GMBH, 6457 MAINTAL, DE
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1987-05-29
Publication date: 1988-12-15
Also published as: DE3718177C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Elektronenstrahlfokussierung, insbesondere beim Elektronenstrahlschweißen.

Beim Elektronenstrahlschweißen ist es wichtig, den Brennpunkt des Elektro nenstrahls bezüglich der Schweißnaht des zu schweißenden Werkstücks genau zu positionieren. Die Eigenschaften dieser Naht sind wesentlich davon ab hängig, ob der Brennpunkt exakt auf der Werkstückoberfläche oder aber unter- bzw. oberhalb dieser Oberfläche liegt. Eine besondere Schwierigkeit bei der Fokussierung des Elektronenstrahls tritt dann auf, wenn sich das Werkstück relativ zur Elektronenstrahlkanone bewegt, denn in diesem Fall muß, um eine bestimmte Lage des Brennpunkts beizubehalten, fortwährend nachfokussiert werden.

Es ist bereits eine Einrichtung zur automatischen Fokussierung eines Ladungs trägerstrahls bekannt, bei welcher der durch die Fokussierungslinse fließende Strom in seiner Stärke periodisch verändert wird. Gleichzeitig mit der perio dischen Änderung der Linsenstromstärke wird die Menge der vom Objekt ausgehenden Ladungsträger gemessen und bei Erreichen eines Extremwerts dieser Menge der in diesem Moment durch die Fokussierungslinse fließende Strom festgehalten (DE-AS 11 96 806 = US-PS 32 91 959). Bei dieser Ein richtung wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß die von einem Werk stück reflektierten Elektronen dann ein Minimum haben, wenn der optimale Fokussierungszustand des Elektronenstrahls erreicht ist, d. h. wenn der Elek tronenstrahl-Brennpunkt exakt auf der Werkstück-Oberfläche liegt. Mit der bekannten Einrichtung ist es auch möglich, die Fokussierung so zu wählen, daß der engste Strahlquerschnitt in Richtung der Strahlachse in einer vorge gebenen Entfernung von der Werkstückoberfläche liegt. Dies geschieht da durch, daß der beim Messen der Menge der vom Objekt ausgehenden Ladungs träger entstehende Strom zeitlich verzögert wird.

Nachteilig ist hierbei indessen, daß bei einem sich bewegenden Werkstück der Brennpunkt des Elektronenstrahls nicht fortwährend auf einem vorge gebenen Abstand von der Werkstückoberfläche gehalten werden kann, wenn die Oberfläche dieses Werkstücks merkliche Unebenheiten aufweist.

Mit einer weiteren bekannten Einrichtung zum Nahtschweißen eines Werk stücks mittels eines Ladungsträgerstrahls ist es möglich, den Brennpunkt des Strahls kontinuierlich auf die Oberfläche des Werkstücks in jeder Höhe nach zufokussieren (DE-PS 12 70 708 = US-PS 31 65 619). Diese Einrichtung ge stattet es jedoch nicht, den Brennpunkt kontinuierlich auf einen vorgege benen Punkt oberhalb oder unterhalb der Werkstückoberfläche zu fokussieren.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Fokussierungsregelung eines von einem Strahl erzeugersystem auf ein zu schweißendes Werkstück gerichteten Elektronen strahls bekannt, bei dem mittels einer Elektrode ein Teil des vom Strahl auftreffpunkt rückgestreuten Elektronenflusses aufgefangen und der Fokussie rungsstrom so nachgeregelt wird, daß der Elektronenstrom bei einem Mini mum liegt (DE-AS 19 41 255). Die Fangeinrichtung für die Elektroden ist hierbei von einem zylindrischen, an Masse gelegten Gehäuse gebildet, das an der Fokussierungsspule befestigt und konzentrisch zum Elektronenstrahl ange ordnet ist.

Nachteilig ist auch bei diesem bekannten Verfahren, daß es keinen Weg zeigt, wie der Brennpunkt eines Ladungsträgerstrahls stets in einem defi nierten Abstand von der Werkstückoberfläche gehalten werden kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Fokussierungseinrich tung für einen Ladungsträgerstrahl zu schaffen, mit dem es möglich ist, den Brennpunkt des Ladungsträgerstrahls exakt auf die Oberfläche eines Werkstücks oder auf einen vorgegebenen Punkt oberhalb oder unterhalb dieses Werkstücks zu legen, und zwar derart, daß der Abstand zwischen der jewei ligen Werkstückoberfläche und dem Brennpunkt auch bei unebenen und sich relativ zum Ladungsträgerstrahl bewegenden Werkstücken konstant gehalten wird.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Fo kussierungsstrom und der Meßspannung, die aufgrund von rückgestrahl ten Elektronen bei Aluminium entsteht;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Fo kussierungsstrom und der Meßspannung, die aufgrund von rückgestrahl ten Elektronen bei Stahl entsteht;

Fig. 3 eine herkömmliche Anordnung für die Erfassung der vom Werkstück rückgestrahlten Elektronen beim Elektronenstrahlschweißen sowie zur Regelung des Fokussierungsstroms;

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Anordnung für die Regelung des Fokussie rungsstroms einer Elektronenstrahlkanone.

In der Fig. 1 sind Meßkurven dargestellt, die den Zusammenhang zwischen den von einem Werkstück aus Aluminium rückgestrahlten Elektronen und dem Fokussierungsstrom einer Elektronenstrahlkanone zeigen. Die rückgestrahlten Elektronen werden hierbei beispielsweise mittels eines Rings erfaßt, der sich oberhalb der Auftreffstelle des Elektronenstrahls auf einem Werkstück befin det und der eine Spannung abgibt, die der Zahl der auftreffenden Elektronen proportional ist. Zum Zeitpunkt t ₁ sei der Elektronenstrahl exakt auf der Oberfläche eines zu schweißenden Materials fokussiert, wobei der durch die Fokussierungsspule fließende Strom I _Fopt sei. Diesem Fokussierungsstrom I _Fopt entspricht eine Meßspannung U _Mopt, die relativ gering ist. Wird nun der Fokussierungsstrom I _F abgesenkt, z. B. auf einen Wert I _Fmin, so ver größert sich die Meßspannung U _M auf den Wert U _Mmax, was darauf hin deutet, daß sich die Zahl der zurückgestrahlten Elektronen vergrößert hat. Der Fig. 1 ist somit entnehmbar, daß bei exakter Fokussierung eines Elek tronenstrahls auf einem Aluminium-Werkstück die Zahl der reflektierten Elektronen ein Minimum ist. Die jeweilige Meßspannung U _M gibt folglich an, ob der Brennpunkt des Elektronenstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks oder darüber bzw. darunter liegt.

In der Fig. 2 sind Meßkurven dargestellt, die zwar im wesentlichen denjenigen der Fig. 1 entsprechen, aber bei einem Werkstück aus Stahl und nicht aus Aluminium aufgenommen wurden. Man erkennt hierbei wieder, daß bei opti maler Fokussierung, d. h. wenn der Brennpunkt des Elektronenstrahls auf der Werkstückoberfläche liegt, die Spannung U _M den Wert U _Mopt einnimmt, während der zugehörige Fokussierungsstrom I _F den Wert I _Fopt hat. Wird jetzt der Fokussierungsstrom I _F abgesenkt und damit der Brennpunkt des Elektronenstrahls unter die Oberfläche des Werkstücks gelegt, so ergibt sich bei einem Fokussierungsstrom I _Fmin eine Meßspannung U _Mmax, d. h. es werden zahlreiche Elektronen reflektiert. Bei darauffolgendem Anstieg des Fokussierungsstroms I _F bis zum Wert I _Fo geht die Spannung U _M auf ein Minimum U _Mmin zurück. Bei diesem Minimum schneidet der Brennpunkt des Elektronenstrahls, von unterhalb der Werkstoff-Oberfläche kommend, diese Oberfläche, um sich dann oberhalb dieser Oberfläche zu befinden. Bei weite rer Erhöhung des Fokussierungsstroms I _F bis auf I _Fmax nimmt die Zahl der reflektierten Elektronen wieder zu, was durch die Spannung U _Mmax angedeu tet wird.

Im Punkt I _Fmax bzw. U _Mmax bei t = t ₄ liegt eine Überfokussierung vor, d. h. der Elektronenstrahl-Brennpunkt liegt über der Werkstück-Oberfläche. Wird nun der Fokussierungsstrom I _F abgesenkt, so sinkt auch die Meßspan nung U _M wieder.

Die geringfügigen Phasenverschiebungen zwischen I _F und U _M sind meßtech nisch bedingt. Trotz dieser Verschiebungen ist klar zu erkennen, daß die je weilige Meßspannung vom negativen oder positiven Abstand des Elektronen strahlbrennpunkts von der Werkstückoberfläche abhängt.

In der Fig. 3 ist eine herkömmliche Anordnung gezeigt, mit welcher die rück gestreuten Elektronen erfaßt und für die Regelung des Fokussierungsstroms herangezogen werden können. Die Anordnung umfaßt ein Ring 1, der auf negativem Potential liegt und aus einer Stromquelle 2 gespeist wird. Der Ring 1 ist zwischen einem Gitter 3, das auf dem positiven Potential einer Stromquelle 4 liegt, und einer Blende 5 angeordnet, die mit Masse 6 ver bunden ist. Die Einrichtung des vom Ring 1 aufgefangenen Elektronenstroms der rückgestreuten Elektronen umfaßt ein übliches Voltmeter 7, dem ein Widerstand 8 parallelgeschaltet ist. Ein Regler 9, der von der am Widerstand 8 abfallenden Spannung gespeist wird, ist mit einer Fokussierungseinrichtung 10 verbunden, die beispielsweise eine elektromagnetische Spule sein kann. Ein zu schweißendes Werkstück 12 ist mit Masse 6 verbunden und befindet sich im Schußfeld eines Elektronenstrahlerzeugers 13.

Diese bekannte Anordnung arbeitet wie folgt: Nachdem man eine ungefähre Voreinstellung des Abstands zwischen dem Strahlerzeuger 13 und dem zu schweißenden Werkstück vorgenommen und die Schweißleistung sowie die Ge schwindigkeit des Vorschubs gewählt hat, wird der Strahlerzeuger 13 in Be trieb gesetzt. Für den Fall, daß die aufgewandte Energie hoch ist, erzeugt der Elektronenstrahl 11 durch sein Auftreffen auf das zu schweißende Werk stück 12 eine Ionen- und Elektronenstrahlung, die teilweise von dem Ring 1 wieder aufgefangen wird. Die am Widerstand 8 abfallende Spannung wird dem Regler 9 zugeführt, welcher die Fokussierungseinrichtung 10 steuert, bis sich eine optimale Fokussierung ergibt. Der Regler regelt den Fokussierungs strom also so lange, bis die am Widerstand 8 abfallende Spannung ein Mini mum wird.

Nachteilig ist bei der in der Fig. 3 gezeigten Anordnung, daß der Brennpunkt des Elektronenstrahls 11 stets auf die Oberfläche des Werkstücks 12 geregelt wird. Dies ist zwar für viele Anwendungsfälle ausreichend, genügt jedoch nicht bei speziellen Anwendungen, wo der Brennpunkt in einem definierten Abstand unter- oder oberhalb der Werkstückoberfläche gehalten werden muß, um bestimmte Eigenschaften der Schweißnaht zu erzielen. Beispielsweise ist es beim Tiefschmelzen erforderlich, den Brennpunkt unter die Werkstück- Oberfläche zu legen, um eine in der Breite gleichmäßige Schweißnaht zu er halten.

In der Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt, mit der es möglich ist, den Brennpunkt eines Elektronenstrahls auf einen beliebigen Punkt ober- bzw. unterhalb der Werkstückoberfläche zu legen. Hierzu wird die am Widerstand 8 abfallende Spannung U _M in einem Differenzierer 14 differenziert und als Spannung U _D auf einen Regler 15 gegeben, in dessen Rückkopplungszweig eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 16 und einem Kondensator 17 liegt.

An einen zweiten Eingang des Reglers 15 ist ein Regelwiderstand 18 gelegt, der mit Gleichspannungspolaritäten +U _soll und -U _soll in Verbindung steht. Der Regler 15 ist so ausgelegt, daß er den Fokussierungsstrom I _F so lange regelt, bis die differenzierte Spannung U _D gleich Null ist. Bei U _D = 0 hat U _M ein Minimum, d. h. der Brennpunkt des Strahls befindet sich in diesem Fall auf der Werkstück-Oberfläche. Damit dieser Brennpunkt nach oben oder unten verschoben werden kann, wird über den Regelwiderstand 18 eine Spannung U _soll auf den zweiten Eingang des Reglers 15 gegeben. Der Reg ler 15 regelt hierdurch nicht mehr auf ein tatsächliches Elektronenminimum, sondern auf ein fiktives Minimum.

Statt eines analogen Differenzierers 14 kann selbstverständlich auch ein di gitaler Differenzierer vorgesehen sein, der das tatsächliche Minimum der rückgestreuten Elektronen erfaßt.

Claims

1. Einrichtung für die Elektronenstrahlfokussierung, insbesondere beim Elek tronenstrahlschweißen, bei welcher wenigstens ein Teil der vom zu schweißen den Werkstück rückgestreuten Elektronen aufgefangen und der Fokussierungs strom in Abhängigkeit von der Menge der rückgestreuten Elektronen nach geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokussierungsstrom zusätz lich in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Größe geregelt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzierer (14) vorgesehen ist, der eine elektrische Größe (U _M), die von der Anzahl der aufgefangenen und rückgestrahlten Elektronen abhängt, differenziert und als Istwert (U _D) einem Regler (15) zuführt, der gleichzeitig mit einem Sollwert (U _soll) beaufschlagt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein digitaler Minimalwerterfasser vorgesehen ist, der bei einer elektrischen Größe (U _M ), die von der Anzahl der aufgefangenen und rückgestrahlten Elektronen ab hängt, den Minimalwert dieser Größe (U _M) auf digitale Weise ermittelt und einem Regler (15) zuführt, der gleichzeitig mit einem Sollwert (U _soll ) beauf schlagt wird.