DE3784915T2 - Korrekturanordnung einer buendelortung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung befaßt sich mit einer Elektronenstrahl Schweißmaschine, bei der ein Elektronenstrahl, welcher mittels eines Elektronenstrahlerzeugers (Elektronenkanone) erzeugt wird, welche in einer Vakuumkammer angeordnet ist, auf Werkstücke gerichtet wird, welche längs ihren aneinander stoßenden Kanten zu schweißen sind. Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Bestimmung der Koordinaten des Punktes auf der Oberfläche des Werkstücks, auf den der nicht abgelenkte Elektronenstrahl, welcher aus dem Elektronenstrahlerzeuger austritt, auf das Werkstück trifft.
• Eine Elektronenstrahl-Schweißmaschine ist üblicherweise mit einer Einrichtung versehen, welche den Erzeuger relativ zum Werkstück derart bewegt, daß der Elektronenstrahl einem Weg auf dem Werkstück folgt, längs dem der Strahl zur Erzeugung einer ununterbrochenen Schweißung längs dieser Linie auftreffen soll. Dies kann auf mehrere unterschiedliche Weise wie folgt erfolgen:
• 1. Der Erzeuger kann auf einer mechanischen Einrichtung gelagert sein, welche den Erzeuger entlang zwei wechselweisen senkrechten Achsen bewegt, wobei das Werkstück stationär in einem Abstand von dem Erzeuger vorgesehen ist.
• 2. Der Erzeuger kann fest mit einer Kammer verbunden sein, wobei das Werkstück auf einem sich bewegenden Schlitten angebracht ist, welcher ermöglicht, daß das Werkstück entlang zwei Achsen bewegt werden kann, welche wechselweise senkrecht zueinander sind.
• 3. Der Erzeuger kann derart angeordnet sein, daß er längs einer Achse (beispielsweise der "X"-Achse) bewegt werden kann, wobei das auf einem Schlitten angebrachte Werkstück entlang einer zweiten Achse (beispielsweise der "Y"- Achse) bewegbar ist, welche senkrecht zu der "X"-Achse ist.
• Um eine geeignete Schweißverbindung herzustellen, ist es erforderlich, daß der Erzeuger in Relation zum Werkstück bewegt wird, so daß der auf das Werkstück auftreffende Strahl den aneinander stoßenden und zu verschweißenden Flächen folgt. Bei den Elektronenstrahl-Schweißmaschinen in früherer Zeit wurde die Relativbewegung von Erzeuger und Werkstück manuell mit Hilfe von zwei Handrädern gesteuert, wobei eines für die "X"-Achse und das andere für die "Y"- Achse bestimmt war, und welche in der Nähe eines Sichtfeldes der Maschine angeordnet waren. Durch Verdrehen der Handräder konnte die Bedienungsperson die Einstellung derart vornehmen, daß der Strahl der Naht folgt, nachdem manuell der Strahl auf den Anfangspunkt der Schweißnaht eingestellt wurde. Diese Vorgehensweise nahm viel Zeit in Anspruch und war umständlich zum einen und zum anderen konnte man nur eine sehr niedrige Schweißgeschwindigkeit erreichen, wenn man eine Schweißung längs eines anderen Weges als einer geraden Linie ausführen wollte.
• Später als dann die Elektronenstrahlbearbeitungsverfahren in zweckmäßiger Weise in der Industrie eingesetzt wurden, wurden numerische Steuerungen entwickelt, um die Relativbewegung zwischen dem Erzeuger und dem Werkstück zu steuern, so daß man optimale Schweißgeschwindigkeiten erreichen konnte, und zwar selbst dann, wenn die Schweißung entlang konturierten Schweißwegen erfolgen sollte. Später wurden dann hochentwickelte Computersteuerungen eingesetzt, um alle Funktionen und Parameter des Schweißverfahrens zu steuern. Bei allen diesen neuerdings entwickelten Systemen konnte die Bewegung des Erzeugers in Relation zum Werkstück genau von Zeit zu Zeit ohne Fehler gesteuert werden. Es blieb jedoch noch eine Schwierigkeit bestehen, welche auf die inhärenten Eigenschaften des Elektronenstrahl-Erzeugers zurückzuführen ist, und dies wird dadurch verursacht, daß sich die Position des Strahls auf der Werkstückoberfläche infolge folgender Umstände verschieben kann:
• 1. Änderungen des Strahlenstroms
• 2. Änderungen der Vorspannung
• 3. Änderungen der Filamentposition:
• a. mit der Zeit
• b. wenn das Filament ausgewechselt wird.
• Diese Verschiebung der Position des Elektronenstrahls kann zu einer fehlerhaften Bearbeitung des Werkstücks infolge von unvollständigen Schweißnähten führen, welche sich nicht immer mittels Nachbearbeiten korrigieren lassen. Wenn die Elektronenstrahl-Maschine zur Oberflächenwärmebehandlung eingesetzt wird, führt eine Verschiebung der Position des Strahlenauftreffpunktes auf dem Werkstück zu einer Verschiebung der Oberfläche, an welcher eine Wärmebehandlung vorgenommen wird und dies kann zu einer verkürzten Standzeit oder zu einer Zerstörung einer Maschine führen, bei welcher ein derartiges Bauteil zum Einsatz kommt.
• Ein Vorschlag für ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Auftreffpunktes eines Elektronenstrahls auf eine Werkstückoberfläche ist in US-A-3 975 640 beschrieben. Ein Detektor oder eine Auftreffplatte ist vorgesehen, welche zwei Hälften einer Elektrode aufweist, die jeweils halbkreisförmig ausgebildet sind und die derart angeordnet sind, daß der Zwischenraum zwischen den beiden Hälften zu einer Achse senkrecht der Überstreichebene des Strahls fluchtet. Die Differenz zwischen den von dem Strahl durch die jeweiligen Hälften empfangenen Spannungen wird genutzt, um den Strahl auf dem Detektor zu zentrieren. Um die Position des Strahls um eine zweite, hierzu senkrechte Achse zu steuern, ist eine zweite Elektrode mit einer ähnlichen Gestalt erforderlich, wobei der Spalt zwischen den beiden Hälften zu der zweiten Achse ausgerichtet ist. Alternativ kann eine einzige Elektrode vorgesehen werden, welche vier quadrantenförmige Sektionen hat.
• Bei diesen Detektoren würde ein Elektronenstrahl mit der vollen Leistung zum Einsatz einer maschinellen Bearbeitung eines Werkstückes dazu führen, daß mit Gewißheit die Elektrode zerstört würde, wenn die Möglichkeit bestehen würde, daß der Strahl auf dieselbe eine beträchtliche Zeitlang einwirkt.
• Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Auftreffpunktes eines Elektronenstrahls auf einer Werkstückoberfläche bezüglich des Elektronenstrahl-Erzeugers bereitzustellen, welcher den Elektronenstrahl erzeugt, wobei die Schwierigkeiten im Hinblick auf eine Beschädigung von Einrichtungen überwunden werden, welche durch den Elektronenstrahl verursacht werden.
• Ferner zielt die Erfindung darauf ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Korrektur einer Positionsänderung des Elektronenstrahls bereitzustellen.
• Ferner zielt die Erfindung darauf ab, eine Vorrichtung zum periodischen Bestimmen des Auftreffpunktes des Strahls auf dem Werkstück und zur Korrektur der Position auf den gewünschten Punkt bereitzustellen.
• Ferner zielt die Erfindung darauf ab, eine Vorrichtung zum Bestimmen des Auftreffpunktes eines Elektronenstrahls auf der Werkstückoberfläche bereitzustellen, welche die Werte des Elektronenstrahlstromes und des Beschleunigungspotentials nutzt, welche beim tatsächlichen Schweißvorgang eingesetzt werden.
• Ferner bezweckt die Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Auftreffpunktes eines Elektronenstrahles auf einer Werkstückoberfläche bereitzustellen, bei welchen eine Werkstückoberfläche an dem Auftreffpunkt nicht zum Erschmelzen gebracht oder überhitzt wird.
• Ferner zielt die Erfindung darauf ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen und schnellen Richten eines Elektronenstrahls auf einen gewünschten Bezugspunkt bereitzustellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Zur Verdeutlichung des Verfahrens und der Vorrichtung, welche zum Einsatz kommen, wird auf die nachstehenden Figuren Bezug genommen:
• Fig. 1 ist eine Endansicht einer Kombination aus Elektronenstrahl-Erzeuger und Schlitten, wobei als eine mechanische Einrichtung ein Schlitten zur Bestimmung der Position des Elektronenstrahls eingesetzt wird.
• Fig. 2 ist eine Draufsicht auf Fig. 1.
• Fig. 3 ist eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung der Elemente eines Elektronenstrahl-Erzeugers.
• Fig. 4 ist ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung der wesentlichen Elemente einer Elektronenstrahl-Schweißmaschine, welche nach der Erfindung ausgelegt ist.
• Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die mechanischen Teile einer Detektoranordnung, welche bei der Durchführung der Erfindung eingesetzt wird.
• Fig. 6 verdeutlicht die mechanischen Teile eines Detektors in einer Schnittansicht.
• Fig. 7 ist eine schematische Ansicht einer elektrischen Schaltung, welche zum Einsatz bei der Elektronenstrahl-Positionskorrektureinrichtung kommt.
• Fig. 8 verdeutlicht die aufeinander folgenden Bewegungen des Elektronenstrahls während einer Bestimmung einer Elektronenstrahlposition.
• Fig. 9 zeigt die elektrische Schaltung zum Messen der Elektronenströme, welche auf die gesonderten Sektoren des Detektors fallen.
• Die Fig. 1 und 2 verdeutlichen eine Anordnung aus einem bewegbaren Erzeuger (Elektronenkanone) und einem beweglichen Schlitten, welche in einer Vakuumkammer einer üblichen Elektronenstrahl-Schweißmaschine zum Einsatz kommen können, wobei der Elektronenerzeuger 32 auf einer "X-X"-Achse bewegbar ist und oberhalb des Schlittens 2 angeordnet ist, auf welchem die zu schweißenden Werkstücke 3 vorgesehen sind. Der Schlitten 2 ist mit Wälzlagern 4 versehen, welche auf Schienen 5 laufen, welche rechtwinklig zu der Bewegung des Erzeugers derart angeordnet sind, daß sich der Schlitten somit entlang einer "Y-Y"-Achse bewegen kann. Ein Strahlpositionsdetektor 6 ist auf dem Schlitten 2 zusammen mit einem Strahlspeicher 7 positioniert, wie dies auf der rechten Seite in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Elektrische Verbindungen sind zwischen der Positionsdetektoreinrichtung und einem Positionssteuersystem 9 mit Hilfe von elektrischen Leitungen 8 hergestellt. Die Werkstücke 3 sind in der Zeichnung derart auf dem Schlitten 2 dargestellt, daß ihre aneinander stoßenden Kanten 10 längs der gewünschten Schweißlinie in Kontakt sind.
• Fig. 3 verdeutlicht in schematischer Form eine Gesamtauslegung der wesentlichen Teile eines Elektronenstrahl-Erzeugers und der zugeordneten elektrischen Versorgungseinrichtungen. Die Elemente eines Elektronenstrahl-Erzeugers (Elektronenstrahlkanone) umfassen ein Filament 15, eine Kathode 16, eine Anode 17, eine Fokussierspule 24, Ablenkspulen 25 und die zugeordneten Versorgungseinrichtung 20, 21, 22 und 23.
• Die Filamentstromversorgung 20 legt einen Strom an das Filament 15 an und bringt die Temperatur des Filaments auf einen Wert, bei dem dieser geeignet ist, Elektronen abzugeben. Die Hochspannungs-Energieversorgung 22 legt ein Potential von 60000 Volt an die Anode 17 bezüglich des Filaments 15 an, um zu bewirken, daß die Elektronen in Richtung auf die Anode und durch eine Öffnung in der Anode derart beschleunigt werden, daß ein Elektronenstrahl gebildet wird, welcher sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die sich Lichtgeschwindigkeit annähern kann. Die Kathode 16 und die Anode 17 sind derart ausgebildet, daß sie ein elektrostatisches Feld zwischen der Anode und der Kathode erzeugen, welches bewirkt, daß der Elektronenstrahl auf einen Punkt in einem kleinen Abstand außerhalb der Anode gerichtet wird. Eine regelbare Gleichspannungs-Energieversorgung 21 mit etwa 2000 Volt ist zwischen dem Filament und der Kathode vorgesehen, und mit Hilfe dieser Einrichtung kann die Intensität des Elektronenstrahlstromes gesteuert werden. Wenn man das negative Potential (oder die Vorspannung) an der Kathode bezüglich des Filaments größer wählt, wird der Elektronenstrahlstrom vermindert und umgekehrt. Außerhalb der Öffnung der Anode ist ein feldfreier Raum vorhanden, durch welchen der Strahl durch die Fokussierspule 24 geht, in welcher er auf eine gewünschte Stelle auf einem Werkstück fokussiert wird, indem der an der Fokussierspule angelegte Strom über eine Energieversorgung 23 geregelt wird. Direkt unterhalb der Fokussierspule 24 erzeugen die Ablenkspulen 25 magnetische Felder, welche hinsichtlich der Intensität derart geregelt werden können, daß bewirkt wird, daß der Strahl längs den beiden Achsen abgelenkt wird, welche wechselweise senkrecht zueinander sind und daß somit der Strahl derart gerichtet wird, daß er auf einer gewünschten Stelle auf dem Werkstück auftrifft. Die Ausgänge aller dieser Strom- und Spannungsversorgungseinrichtungen für den Elektronenstrahl-Erzeuger können mit Hilfe eines Computers gesteuert werden und sie können alle derart programmiert werden, daß ihre Werte derart modifiziert und verändert werden können, daß der Elektronenstrahl ein vorgegebenes Muster auf der Oberfläche des Werkstücks in einer gegebenen Zeit beschreibt und dieses Muster ggf. wiederholt durchlaufen werden kann.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 4, welche ein vollständiges System für eine Elektronenstrahlschweiß- oder Wärmebehandlungsmaschine verdeutlicht, welche nach der Erfindung ausgelegt ist, ist zu ersehen, daß der Elektronenstrahl-Erzeuger 32 passend mit einer Fokussierspule 24 zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf das Werkstück und Ablenkspulen 25 zum Ablenken des Elektronenstrahls längs zwei wechselweise senkrechten Achsen derart ausgestattet ist, daß der Strahl auf das zu schweißende oder zu Wärmebehandlungszwecken zu beaufschlagende Werkstück nach Maßgabe eines vorbestimmten Programms trifft, welches zuvor in dem Speicher der Computersteuerung 28 mit Hilfe der Systembetriebseinrichtung abgelegt wurde. Das Werkstück 3 ist auf dem Schlitten 2 in einer Vakuumkammer 35 angeordnet, welche konstant unter einem niedrigen Druck gehalten ist, welcher für das Elektronenstrahlbehandlungsverfahren geeignet ist, wozu ein Vakuumpumpsystem 31 vorgesehen ist. Die Bewegung des Schlittens 2 entlang den verschiedenen Achsen gemäß der erforderlichen Bewegung erfolgt mittels eines Servomotors 33, welcher über eine Servoantriebseinrichtung 34 angetrieben wird. Der Motor positioniert den Schlitten in der Kammer derart, daß das Werkstück in geeigneter Weise bezüglich der Ruheposition des Elektronenstrahls 36 positioniert ist, welche durch die Wirkung der magnetischen Felder der "X"- und "Y"-Achsablenkspulen abgelenkt wird, welche mit Hilfe von Strahlablenkverstärkern 29 gesteuert werden und die ihrerseits in Abhängigkeit von zuvor in der Computersteuerung und dessen Speicher gespeicherten Informationen gesteuert werden. Der Computer 28 steuert nicht nur die Strahlablenkprogramme, sondern auch die Elektronenstrahl-Erzeuger-Parameter im Hinblick auf das Beschleunigungspotential, den Strahlstrom und den Fokussierspulenstrom, und sie nimmt eine Steuerung bezüglich des Vakuumpumpsystems und der Servoantriebseinrichtungen vor, welche zur Positionierung in Abfolge von chargenweise zu bearbeitenden Teilen genutzt werden, für welche eine geeignete Halterung in der Kammer vorgesehen ist.
• Die Fig. 5 und 6 verdeutlichen eine Draufsicht und Schnittansichten jeweils von den mechanischen Anordnungen für den Strahlpositionsdetektor. Die Vorrichtung weist einen Hauptkörper 37 auf, welcher als eine Wärmesenke dient, und die aus einem Material, wie Kupfer, hergestellt ist, welches ein hohes Wärmeleitvermögen hat und welches die beiden Teile 38 und 39 trägt, welche aus einer maschinell bearbeitbaren, hitzebeständigen Legierung hergestellt sind, welche in geeigneter Weise die Elemente des Strahlpositionsdetektors aufweisen. Die Elemente 38 und 39 sind Sektoren eines Kreiszylinders, welcher in zwei Sektoren, einem 270º Sektor und einem 90º Sektor unterteilt ist, welche gesondert und elektrisch voneinander und von dem Hauptkörper 37 mittels eines Spalts von einigen Tausendstel eines Inch sind. Die Sektoren 38 und 39 sind mit dem Hauptkörper 37 mit Hilfe von Schrauben 40 fest verbunden, welche von dem Hauptkörper mittels Isolatoren 41, 42 und 43 isoliert sind. Einrichtungen zur Herstellung von elektrischen Verbindungen mit den Segmenten 38 und 39 über die Schrauben 40 sind vorgesehen. Beim praktischen Betrieb wird die Vorrichtung derart angebracht, daß die "X"- und "Y"-Achsen des Strahldetektors, welche von geraden Zwischenräumen zwischen den Sektoren dargestellt werden, zu den Richtungen der Bewegung des Schlittens und des Elektronenstrahl-Erzeugers während des Schweißvorganges ausgerichtet sind. Der Detektor ist mit einem 0,03 Inch Zwischenraum zwischen den Teilen 38 und 39 angeordnet und ist an einer festen Position auf dem Schlitten derart angebracht, daß die "X"- und "Y"-Koordinaten in der bitte des Detektors liegen; d. h. der Punkt, an der der Mittelpunkt des Schlitzes entlang der "X"-Achse den Mittelpunkt des Schlitzes entlang der "Y"-Achse schneidet, kann als ein Bezugspunkt genommen werden. Die "X"- und "Y"-Koordinaten einer Schweißlinie auf Werkstücken, welche auf dem Schlitten vorgesehen sind, können dann in Bezug zu dem Bezugspunkt auf den Detektor gesetzt werden.
• Bei früheren Versuchen zur Bestimmung der Ausgangsposition eines Elektronenstrahls, welche vorstehend umrissen wurden, wurde die gesamte Energie des Strahls auf den Detektor gerichtet. In Abhängigkeit von der Energie des Strahls, welcher manchmal 1/16 eines Inches im Durchmesser haben kann und eine Energie von 15 Kilowatt haben kann, führte dies dazu, daß die Detektoren zerstört wurden, wenn man versucht hat eine Messung vorzunehmen, so daß ein starke Erwärmung und folglich ein Erschmelzen des Detektors verursacht wurden. Um das Schmelzen des Detektors zu vermeiden, wurde der Strom auf einen kleinen Bruchteil der verfügbaren Energie in einer solchen Weise herabgesetzt, daß kein Schmelzen des Detektors bewirkt wurde. Es hat sich jedoch gezeigt, daß, wenn der Strom später auf die erforderliche Stromstärke für das Schweißen gesteigert wird, sich der Strahl verschoben hat, so daß diese Verfahrensweise unzulänglich ist.
• Um beim vorliegenden Verfahren die vorstehend genannten Schwierigkeiten zu vermeiden, wird ein neuartiges Time-sharing des Elektronenstrahls zwischen einer relativ großen Wärmesenke und dem Detektor genutzt, und aufgrund dieser Tatsache wird ermöglicht, daß sich die Strahlposition ohne eine Beschädigung des Detektors messen läßt, obgleich der Strahlstrom die Höhe des Arbeitsstromwertes erreicht, der in einer Größenordnung von 100 KW liegen kann. Das Abtastverfahren, welches eingesetzt wird, wird anhand von Fig. 8 erläutert. Der Strahl wird schrittweise zu einer Reihe von Punkten 50 entlang einer Linie abgelenkt, welche-senkrecht zu der "X"-Achse ist und welche durch die "X"-Achse zweimal geschnitten wird. An dieser "X"-Achse wird der Strahl zu einem Punkt entlang der "X"-Achse abgelenkt; d. h. entlang des Spalts 51 zwischen den Teilen 38 und 39 des Detektors. Der Strahl kann an jedem der Punkte eine kurze Zeitperiode lang verbleiben, welche regelbar ist, wobei man beispielsweise eine Verweilzeit von 75 Mikrosekunden einstellen kann. Wenn der Strahl an neun Punkten auf der Wärmesenke und einem Punkt entlang der "X"-Achse verweilen kann, hat sich gezeigt, daß keine Beschädigung an den Teilen 38 und 39 auftritt, obgleich die Energie des Strahls sich auf etwa 100 Kilowatt belaufen kann. Unter Einsatz dieses Verfahrens des schnellen Ablenkens des Strahls von einem Punkt zum nächsten Punkt, wobei der Strahl nur eine sehr kurze Zeitperiode an dem jeweiligen Punkt verweilen kann, ist es möglich, eine Bestimmung der Positionen des Strahls bezüglich der Mittellinie der Zwischenräume entlang der "X"- und der "Y"-Achsen vorzunehmen. Die Bestimmung dahingehend, ob der Strahl über den Zwischenräumen zentriert ist, erfolgt durch die Messung des Stroms, welcher von dem Elektronenstrahl an die Elemente 38 und 39 abgegeben wird, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Diese Elemente sind mit elektrischen Widerständen 44 und 45 verbunden, welche den Strahlstrom von dem Element 38 oder 39 durch den Widerstand 44 oder 45 jeweils durchleiten. Wenn die an dem Widerstand 44 auftretende Spannung gleich jener ist, die am Widerstand 45 auftritt, dann folgt hieraus, daß der Strom gleichmäßig zwischen den Elementen 38 und 39 verteilt ist und daß somit der Strahl über dem Spalt zwischen diesen beiden Elementen zentriert ist. Wenn keine Spannung am Widerstand 45 gemessen wird, dann ist hieraus zu ersehen, daß der Strahl auf das Element 38 fällt und kein Teil des Strahls auf das Element 39 fällt. Wenn an dem Widerstand 44 keine Spannung auftritt, dann ist zu ersehen, daß der Strahl auf das Element 39 gerichtet ist und kein Teil des Strahls auf das Element 38 trifft. Wenn man den Strahl schrittweise entlang einer Linie ablenkt, welche senkrecht zu der "Y"- Achse ist, und den Strahl periodisch entlang der "Y"-Achse ablenkt, kann man bestimmen, ob der Strahl entlang der "Y"- Achse positioniert ist. Durch Wiederholen der Vorgänge des schrittweisen Ablenkens des Strahls und der Abtastung entlang den "X"- und den "Y"-Achsen lassen sich die Spannungen an den Widerständen 44 und 45 bestimmen, und hieraus läßt sich bestimmen, ob der Strahl auf den Bezugspunkt des Detektors trifft oder nicht. Wenn die an den Widerständen 44 und 45 auftretenden Spannungen gleich sind, dann ist zu ersehen, daß der Strahl auf den Detektor am Bezugspunkt trifft. Wenn man diese Spannung geeigneten Steuerschaltungen zuleitet, welche eine Weiterverarbeitung vornehmen können, und welche Ströme an die Ablenkspulen des Elektronenstrahl-Erzeugers anlegen können, kann man den Strahl zu dem gewünschten Bezugspunkt bewegen.
• Die Segmente 38 und 39 der Positionskorrektureinrichtung sind mit elektrischen Anschlüssen 46 und 47 jeweils verbunden, welche an der Vorrichtung in der Vakuumkammer angebracht sind. Elektrische Verbindungen von diesen Anschlüssen 46 und 47 mit einer elektrischen Schaltung werden hergestellt, welche außerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist und die in Fig. 7 gezeigt ist und welche die Funktion hat, die an den Widerständen 44 und 45 auftretenden Signale zu verstärken. Die an den Widerständen 44 und 45 aufgetretene Spannung wird an zwei Eingangsanschlüsse eines Differentialverstärkers 48 angelegt, dessen Ausgang entweder Null ist, wenn die Spannung bei 44 gleich der Spannung bei 45 ist, der positiv ist, wenn die Spannung bei 44 größer als die Spannung bei 45 ist, und der negativ wird, wenn die Spannung bei 45 größer als die Spannung bei 44 ist. Die am Ausgang des Verstärkers 48 erhaltene Spannung wird an die elektrische Integrierschaltung 49 angelegt, und die Ausgangsspannung von der Intergrierschaltung wird an die elektrische Schaltung angelegt, welche die Ströme steuert, die an die Ablenkspulen des Elektronenstrahl-Erzeugers angelegt werden und welche daher derart wirken, daß der Elektronenstrahl zu der Position abgelenkt wird, an der der Elektronenstrahl gleichmäßig zwischen dem Segment 38 und dem Segment 39 verteilt ist. Dies erfolgt in einer Reihe von Schritten zur Abtastung des Strahls gemäß der voranstehenden Beschreibung zuerst in der "X"-Richtung und dann in der "Y"-Richtung, bis der Strahl auf den Bezugspunkt in der Mitte der Positionskorrektureinrichtung gerichtet ist. In der Praxis erhält man die korrekte Position des Strahls etwa innerhalb einer viertel oder einer halben Sekunde durch wiederholtes Abtasten der Position entlang der "X"-Achse und dann entlang der "Y"-Achse unter Einsatz der schrittweisen Verschiebung des Strahls von einer Stelle zu der nächsten auf der Wärmesenke und dann durch Abtasten der Verschiebung auf den Positionskorrektursektoren. Die schrittweise Bewegung des Strahls von einer Stelle zur anderen wird durch Befehle gesteuert, welche im Computer gespeichert sind, welcher die Gesamtfunktion der Elektronenstrahlmaschine steuert. Die Ablenkinformation, welche man während des Abtastbetriebs erhält, wird ebenfalls im Computerspeicher bis zu einem darauffolgenden Abtastvorgang gespeichert. Ein Abtastvorgang wird durch die Betriebsperson der Maschine immer dann eingeleitet, wenn dies für erforderlich gehalten wird. Wenn beispielsweise eine Änderung des erforderlichen Strahlstroms vorgenommen wird, nachdem ein Filament ausgewechselt wird oder nach einer langen Einsatzzeit ein und desselben Filaments, kann beispielsweise ein derartiger Abtastbetrieb durchgeführt werden. Unter Einsatz der Strahlpositions-Sensoreinrichtung in Verbindung mit der Rückkopplung zur Steuerung der Ablenkeinrichtung des Elektronenstrahlerzeugers wird erreicht, daß der Strahl schnell auf einen gewünschten Bezugspunkt automatisch gerichtet wird, ohne daß eine Beschädigung der Sensordetektoreinrichtung auftritt, obgleich der tatsächlich erforderliche Strom jenem entspricht, den man beim Schweißen oder bei der Wärmebehandlung mittels des Elektronenstrahls einsetzt.
• Die Erfindung ist nicht auf die Konstruktionseinzelheiten der anhand der Zeichnung gezeigten bevorzugten Ausführungsform beschränkt, sondern es sind zahlreiche weitere Ausführungsformen für den Fachmann möglich, ohne den Schutzumfang der Ansprüche zu verlassen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Positionieren eines Elektronenstrahls auf einen gegebenen Bezugspunkt auf einem Detektor, welches die Schritte aufweist, gemäß denen ein Elektronenstrahl (36) mit einer gewünschten Stromstärke erzeugt wird, der Strahl auf einen Detektor (6) gerichtet und auf diesen fokussiert wird, welcher wenigstens zwei Sektoren (38, 39) aufweist, die Differenz beim Elektronenstrom am jeweiligen Sektor bestimmt wird und bewirkt wird, daß der Elektronenstrahl (36) in einer Richtung auf den Sektor abgelenkt wird, welcher den niedrigeren Strom erreicht hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (6) einen ersten Sektor (38) umfaßt, welcher einen 270º-Sektor eines Kreises aufweist, und einen zweiten Sektor (39) aufweist, welcher einen 90º-Sektor des Kreises aufweist, die beiden Sektoren durch einen festen Spalt (51) zwischen den geraden Kanten der Sektoren getrennt sind, welche zu zwei wechselseitig senkrechten Koordinatenachsen (X, Y) ausgerichtet sind, das Verfahren fernen die Schritte aufweist, gemäß denen bewirkt wird, daß der Elektronenstrahl (36) auf eine Reihe von eng beabstandeten Punkten (50) auf eine Wärmesenke (37) nahe des Detektors (9) entlang einer Linie parallel zu einer der Achsen auftrifft, ferner bewirkt wird, daß der Elektronenstrahl (36) rechtwinklig intermittierend entlang der anderen Koordinatenachse und auf den Detektor (9) derart gerichtet wird, daß die mit Hilfe des jeweiligen Sektors des Detektors gesammelten Ströme abgetastet werden, die vorstehend angegebene Folge von Schritten wiederholt wird, bis die Differenz des Stromes Null wird, und das Verfahren zum Abtasten des die beiden Sektoren entlang der Linie parallel zu der zweiten Koordinatenachse fleißenden Stromes wiederholt wird, bis die von den beiden Sektoren erhaltenen Ströme entlang beiden Achsen gleich sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den jeweiligen Sektor erreichenden Ströme in einem Differentialverstärker (48) verstärkt werden, dessen Ausgang über der Länge der Abtastperiode integriert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Ausgang auf einen Ablenksteuersystemverstärker (29) und eine Ablenkspule (25) gerichtet wird, welche den Strahl (36) entlang einer der beiden Koordinatenachsen positioniert.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Computersteuerung (28) derart programmiert wird, daß der integrierte Ausgang auf ein Ablenksteuersystem (29) für die Achse gerichtet wird, welche abgetastet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungskoordinaten des Auftreffpunktes des Strahles gegenüber einem vorbestimmten Bezugspunkt im Speicher der Computersteuerung gespeichert werden.

6. Vorrichtung zum Richten eines Elektronenstrahls in der Weise, daß er auf einen gegebenen Bezugspunkt auftrifft, welcher einen Strahlpositionsdetektor aufweist, welcher zwei Sektoren umfaßt, auf welche der Elektronenstrahl auftreffen kann, und eine Einrichtung zum Messen der jeweiligen Elektronenstrahlströme aufweist, die durch die Sektoren gehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahldetektor (6) einen ersten Sektor (38) umfaßt, welcher einen 270º-Sektor eines Kreises aufweist, und einen zweiten Sektor umfaßt, welcher einen 90º-Sektor des Kreises aufweist, die beiden Sektoren durch einen festen Spalt (51) zwischen den geraden Kanten der Sektoren getrennt sind, welche zu zwei wechselweise senkrechten Koordinatenachsen ausgerichtet sind, die Vorrichtung ferner eine Wärmesenke (37) umfaßt, welche den jeweiligen Sektoren zugeordnet ist, eine Einrichtung (29) zum intermittierenden Ablenken des Strahls von den Wärmesenken (37) zu der unabgelenkten Position aufweist, welche gestattet, daß der Strahl an dieser Position für eine vorbestimmte Zeitperiode bleibt, eine Einrichtung zum Integrieren der Differenz zwischen den Strömen umfaßt, die durch die jeweiligen Sektoren gehen, und eine Einrichtung umfaßt, welche bewirkt, daß der Differenzstrom die Ablenkung des Elektronenstrahls seinerseits entlang den beiden wechselweisen senkrechten Achsen steuert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Computereinrichtungen zum Wählen der Achse vorgesehen sind, entlang der ein Strahlauftreffpunkt zu korrigieren ist, und daß den Computereinrichtungen Einrichtungen zugeordnet sind, welche die integrierten Signale elektrisch an einen Ablenkverstärker und ein Ablenksystem anlegen, welches bewirkt, daß der Strahl in die gewünschte Richtung abgelenkt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (37) für beide Sektoren (38, 39) des Detektors gemeinsam ist.