NO119857B - - Google Patents

Description

Apparat til bearbeidelse av materialer med en

stråle av ladede partikler.

Denne oppfinnelse angår apparater til bearbeidelse av materialer med en stråle av ladede partikler, og går nærmere bestemt ut på et apparat til utforelse av slike operasjoner som sveising, skjæring, smelting, fordampning eller maskinbearbeiding ("maskinering") av et hvilket som helst materiale med en elektronstråle. -

Apparater som nytter den kinetiske energi i en elektronstråle til bearbeidelse av et materiale kan i dag fås kjot på markedet. Slike apparater er vanligvis kjent som elektronstrålemaskiner; jfr. U.S.patent nr. 2.987•6lO(Carl Zeiss). -

Disse kjente maskiner arbeider ved å frembringe en sterkt sentralisert (fokusinnstilt) stråle av elektroner. Elektronstrålen tjener som et sveise-, skjære-eller maskineringsverktoy som har svært liten masse men har en betydelig kinetisk energi som folge av at elektronene tildeles stor hastighet. Overforing av denne kinetiske energi til gitter-elektronene i arbeidsstykket frembringer store gittervibrasjoner som bevirker en stigning i temperaturen inne i det påvirkede område av arbeidsstykket og som er tilstrekkelig for gjjennom-foring av bearbeidelsen av dette. For å oppnå den dype inntreng-ning av elektronstrålen i arbeidsstykket som er beskrevet i det ovennevnte U.S.patent, bringes styrken eller effekttettheten av strålen til å overstige et kritisk nivå som varierer med det materiale som skal bearbeides. -

Såsnart dette kritiske nivå for stråle-

i

styrken er oversteget, vil strålen trenge dypt inn i arbeidsstykket og den kinetiske energi hos elektronene vil overfores direkte til arbeidsstykket i hele inntrengningsdybden. Hvis strålen beveges i forhold til arbeidsstykket, vil det smeltede materiale gjennom denne direkte energioverforing flyte sammen og således danne en smeltesone med det store forhold mellom dybde og bredde som er så karakteristisk for den i nevnte U.S.patent omhandlede sveisemetode. -

Blant de fordeler bruk av en elektronstråle e.l. har må nevnes treghetslos styring og stor 'energi-konsentrasjon. Disse fordeler har imidlertid blitt trukket noe ned som folge av det faktum at operasjonene med elektronstråle måtte overfores i et evakuert kammer. Arbeidet i fravær av gass ble ansett nodvendig av forskjellige grunner. For det |forste vil enhver gass i det område som omgir det materiale som bearbeides kunne absorberes av og således sbke å forurense eller gjore arbeidsstykket uregelmessig. For det annet, og viktigst, vil nærvær av gass bevirke spredning og svekkelse av élektron-strålen og således forhindre den noyaktige sentralisering eller fokusinnstilling og den store effekttetthet som er nodvendig for å kunne utfore arbeidet på ett bestemt punkt uten at det til-stotende materiale påvirkes gjennom varmeledning. Dette spred-ningsproblem forverres ytterligere av den tåke av fordampet materiale som strommer ut av strålens angrepspunkt pål arbeidsstykket. For det tredje medforer arbeide med en elektronstråle-maskin eller elektronemitter i et vakuum på mindre enn 10~<*>Torr forbedrede lysbueoverslagsegenskaper og okt levetid for gløde-

trådene. - I

Som ovenfor nevnt har disse betraktninger inntil ganske nylig diktert at bearbeidelse av materialer med en strile av ladede partikler skulle utf6res i et evakuert kammer. Denne forutsetning trekker imidlertid med seg en selvinnlysende ilempe, nemlig at størrelsen av det arbeidsstykke som skal bearbeides med strålen er begrenset av størrelsen av arbeidskammer-et. For mindre deler er denne begrensning akseptabel men uhensikts-messig. For svart store deler, blir omkostningene for vakuum-kammeret og tilhørende pumper så store at prosessen vanligvis ikke kan gjennomføres på en dkonomisk forsvarlig måte. I tillegg til dette Økonomiske problem kommer så det besværlige forhold å måtte utfOre den tidkrevende nedpumping av arbeidsaammeret til den Ønskede vakuumgrad etter at hvert nytt arbeidsstykke er innført deri. -

Det ble så litt etter hvert klart for fagfolk pi det her omhandlede tekniske område at i tilfelle hvor forurensning av arbeidsstykket ikke var et ytterst kritisk problem, måtte det la seg gjore å finne frem til midler for å kunne bringe elektronstrålen ut av det evakuerte kammer eller beholder hvori den må frembringes uten vesentlig svekkelse, for derved å avhjelpe de ovennevnte problemer og ulemper og fremdeles utnytte de fordeler som knytter seg til å arbeide med en elektronstråle med stor styrke. For å oppnå dette har det fremkommet en rekke forslag, som i visse tilfelle også er utprøvet i praksis. Disse kjente forslag har imidlertid hatt liten fremgang. 1 de fleste av disse hittil fremsatte forslag passerer strålen på

veien til arbeidsstykket gjennom en liten åpning. Fra et Økon-omisk synspunkt må denne utlopsåpning for elektronstrålen være liten for å minske gasslekkasjen inn i det evakuerte stråle-genererende område for derved å redusere størrelsen og de der-

med forbundne omkostninger for dem nødvendige vakuumpumpe-apparatur. Utlopsåpningen for strålen må også, i den hensikt å minske svekkelsen eller lengden av den bane strålen må bevege seg gjennom en gassformet atmosfære, være plassert relativt nær arbeidsstykket. Som et resultat av den enormt store effekttetthet som opptrer ved sveising, skjæring, smelting, fordampning eller maskinbearbeiding av et hvilket som helst materiale med en stråle av ladede partikler, vil det fra elektronstrålens angrepspunkt på arbeidsstykket både strømme ut damp og "skvette" ut materialpartikler. Disse partikler og damp har tilbøyelighet til i samle seg ved og således forårsake tilstopping av den lille, nærliggende utløpsipning for elektronstrålen. Denne relativt tette tåke av støv, som stifer opp fra strålens angrepspunkt

på arbeidsstykket, vil dessuten virke spredning av strålen. -

Den foreliggende oppfinnelse tilsikter

å avhjelpe de ovennevnte tilstoppings- og spredningsproblemer, hvilket i det vesentlige er oppnådd ved å rette en strom av gass inn i omgivelsene rundt arbeidsstykket gjennom utlopsåpningen for elektronstrålen og under en vinkel med stråleaksen, så at damper og partikkelskvetter som strømmer ut av strålens angrepspunkt på arbeidsstykket vil bli vasket bort fra nevnte åpning,

vsiaml tbidli ig hsemom megt afssra -stå rtøma meven iefn ra inon mgii vedlen senee vakomukerrtie ng starråbleei<g>desn<steyrkaktoert.>

Oppfinnelsen vedrører således et apparat for bearbeidelse av materiale i gassformede omgivelser med en sterk stråle av ladede partikler frembragt i en evakuertj- eller lavtrykksbeholder og passerende gjennom en utlopsåpning i beholderen for å angripe på et arbeidsstykke plassert utenf tr beholderen, i en gassformet atmosfære med et høyere trykk, idet apparatet ifolge oppfinnelsen erkarakterisert vedat en gasstilforselskanal forbundet med en kilde for gass under trykk er innrettet til å tømme en subsonisk gass-strom ut gjennom nevnte utlopsåpning for strålen, inn i omgivelsene omkring det materiale som skal bearbeides, under en vinkel på mellom 30 og 60° med hensyn til strålens akse, og at innretninger er plassert langs stråleaksen i nærheten av tommeenden for nevnte gasstilførselskanal for å hemme gass-stromning fra omgivelsene inn i den evakuerte beholder. -

For en klarere forståelse av oppfinnelsen og dens mange fordeler henvises til den etterfølgende beskrivelse i forbindelse med gjennomgåelse av tegningene hvor det fjor like deler i de to figurer er nyttet samme henvisningstall. -;

Fig. 1 viser et tversnitt gjennom et apparat ifølge en første utforelsesform, og

fig. 2 er et tilsvarende tversnitt gjennom en modifikasjon av den i fig. 1 viste utførelse. Denne modi-fiserte utforelsesform tillater eliminasjon av ett trinnj vakuum-pumping. -

I fig. 1 betegner 10 en elektronstråle-generator. For en fullstendig omtale av den type elektronstråle-generator som nyttes for på markedet tilgjengelige sveise- og skjæremaskiner og som er typiske for oppfinnelsesformålet, henvises igjen til U.S.patent nr. 2.987*610. -

Ved den foreliggende oppfinnelse^ unngås nødvendigheten av å nytte et evakuert arbeidskammer (så som kammeret 24 i fig. 1 i det nevnte U.S.patent) ved bearbeidelse av materialer med en sterk stråle av ladede partikler. Som velkjent fra dette fagområde inneholder stråle-generatoren eller soylen 10 (ikke viste) midler for utstråling (emittering) av elektroner, sentralisering (fokusinnstilling) av disse elektroner i en stråle og akselerering av denne elektronstråle mot et arbeidsstykke. Den stråle som er frembragt i soylen 10 er betegnet med 12. Arbeidsstykket, som kan være to flate plater som skal sammenfbyes ved en buttsveis, er antydet ved 14. Arbeidsstykket 14 vil, når oppfinnelsen utoves i praksis, befinne seg i atmosfæren eller et område med relativt hbyt gasstrykk Pl. Soylen 10 er evakuert og holdes på et lavt trykk P2, ved hjelp av ikke viste vakuumpumpe-anordninger, som kan være av en hvilken som helst kjent type. Strålen 12 som er frembragt i generatoren eller soylen 10 fokusinnstil-les på arbeidsstykket ved hjelp av en magnetisk linseinnretning 16 som tilfores strom fra en ikke vist variabel strømkilde. Elektronstrålen 12 forlater soylen 10 gjennom en åpning 19 og fort-setter til en åpning 18 som kan ligge under eller, som vist, i nærheten av den magnetiske linseinnretning 16. Området 21 mellom åpningene 18,19 holdes på et trykk P3 ved hjelp av vakuumpumpe-anordninger (ikke vist). Området 21 danner således det annet trinn i et kaskade-vakuumsystem. -

Mellom utlopsåpningen 18 for strålen

og arbeidsstykket 14 fins et hus, som i sin helhet er betegnet med 20. Huset 20 danner en bane for strømpassasjen til området for arbeidsstykket, det siste trinn i et kaskade-vakuumsystem og en selvrensende utlopsåpning for elektronstrålen. Det er kjent at en stråle av ladede partikler, dog med en liten svekkelse, kan overfores fra et evakuert kammer til et område med høyere trykk ved å passere gjennom en rekke kammere med økende trykk. Disse kammere med økende trykk, som pumpes ned ved hjelp av tilhørende vakuum-pumpeutstyr, forhindrer lekkasje av gass inn i den evakuerte stråle-generator, samtidig som faren for kollisjoner mellom elektroner i strålen og gassmolekyler reduseres. For å danne det tredje trinn i et kaskade-vakuumsystem er huset formet for dannelse av et par motstående indre og ytre veggflater 22 og 24

som mellom seg begrenser en kanal 25 som står i forbindelse med en kanal 26 for strålen 12. Da denne annen ende av kanalen 25

står i forbindelse med en vakuumpumpe 28, danner de motstående veggflater 22 og 24 det tredje trinn i et tretrinns kaskade-vakuumsystem, idet det første trinn dannes i den evakuerte soyle

10 og det annet trinn i den evakuerte seksjon 21. Dette tredje trinn pumpes kontinuerlig ned til et trykk P4 ved hjelp av vakuum-pumpen 28. På grunn av gasslekkasje fra omgivelsene rundt arbeidsstykket, hvilken gass soker å stromme inn i lavtrykksamrådet i soylen 10, vil pumpen 28 holde et trykk P4 som bare ér ubetydelig storre enn trykket P3«- I

Som nevnt ovenfor har det ved bearbeidelse av materialer i gassformede omgivelser med en sterkt inten-sivert stråle av ladede partikler vist seg at utldpsåpningen for strålen til området omkring arbeidsstykket har tilbøyelighet til å bli tilstoppet av damper og partikler som stiger opp fra det materiale som bearbeides. Det ble således nodvendig å til-veiebringe midler til å lede dette stov bort fra den siste (ytter-ste) utlopsåpning for strålen, nemlig åpningen 30 som danner den nedre ende av kanalen 26, uten i vesentlig grad å oke risikoen for kollisjon mellom elektroner i strålen og gassmolékyler. I henhold til oppfinnelsen er dette oppnådd ved å nytte en strom av sekundær gass som beveger seg i en retning som danner en vinkel med elektronstrålens akse. Denne strom av sekundær gass er rettet tvers over stråleaksen og ut gjennom stråle-utlopsåpningen, for å vaske damper og partikler som stiger opp fra arbeidsstykket 14 bort fra åpningen 30. 1 den hensikt å danne en bane for denne strom av sekundær gass er huset 20 formet til dannelse av en gasstilforselskanal 32. Denne tilforselskanal 32 står i sin ovre ende i forbindelse med en trykkgasskilde 34. Den sekundære gass fra kilden 34-hvis trykk har vist seg å kunne ligge fortrinnsvis mellom 1,4 og 2,1 kg/cm , strommer gjennom kanalen 32, og tommes ved dennes nedre ende ut i nærheten av og under dannelse av en vinkel med elektronstrålens 12 akse. Som vist i fig.' 1, vil hastigheten av den sekundære gass som strammer gjennom kanalen være subsonisk, siden de motstående indre og ytre veggflater 35 og 36 ikke danner noen dyse mellom seg. UttCmningsvinkelen

6 kan ligge på mellom 30 og 60°, men det har vist seg at den fortrinnsvis bor være på mellom 40 og 50°. Ved vinkler på under 40° er det, når man anvender en subsonisk gass-strbm, fare for at utlopsåpningen 30 for strålen skal tilstoppes. Ved vinkler på over 50° er det, ved såvel subsonisk som supersonisk gass-stromning«hastighet, fare for at den smeltede puddel ved jstrålens angrepspunkt på arbeidsstykket skal blåses bort fra Idet dnskede sveiseområde og/eller gjennomblåses av strommen av sekundær gass

1

med etterfølgende odeleggelse av sveisekvaliteten. Under drift

passerer strålen ut av den stråle-dannende soyle 10 gjennom utiopsåpningene 19 og 18, kanalen 26 i huset 20, forlater apparatet gjennom utlopsåpningen 30 og treffer arbeidsstykket 14*Da både elektronstrålen og den sekundære gass-strom uttommes gjennom åpningen 30, elimineres problemet med tilstopping av åpningen 30 ved partikkel-skvetter fra det område av arbeidsstykket som er under behandling. -

Ved fremstillingen av den i fig. 1 viste utforelse må det tas hensyn til visse konstruktive trekk. For det forste må utstrdmningspunktet for stronunen av sekundær gass ligge litt under forbindelsespunktet mellom den evakuerte kanal 25 og kanalen 26 for elektronstrålen 12. For det annet må den nedre kant av utlopsåpningen 30 for strålen ha en ringformet flate i retning av. gass-strbramen for den sekundære gass-strom. Som vist i fig. 1 er den ringformede flate 38 dannet ved borttaking av materiale fra den nedre kant av åpningen 30. Den således dannede ringformede flate hindrer gass-strbmmen fra å bli ledet direkte inn i det smeltede sveisemateriale og forhindrer videre hvirvel-dannelse som på annen måte kunne influere skadelig på den sekundære gass-strom. -

Oppmerksomheten rettes nå på fig. 2 hvor det er vist en utforelsesform hvor det tredje trinn i vakuura-pumpingen ved utfbrelsen i fig. 1 er eliminert. For dette formål samt dessuten i hovedsaken å eliminere lekkasje av gass fra omgivelsene inn i kammeret 10, er det anordnet en gass-tetning tvers over utlopsåpningen 30. Dette er oppnådd gjennom anordningen av et annet hus 40 festet til undersiden av huset 20. Det annet hus 40 er slik utformet at det danner motstående indre og ytre veggflater 42 og 44 som sammen begrenser en kanal 46 for gasstilfbrsel, hvilken kanal 46 er utformet med en dyse 48. Den ovre Ande av kanalen 46 er forbundet med en trykkgasskilde (ikke vist) over en ledning 50. Trykket i den gass som tilfores til kanalen 46

er tilstrekkelig til å forårsake en supersonisk strom ned gjennom dysen 48. Dysen 48 munner ut i nærheten av aksen for strålen 12 og er rettet mot overflaten på arbeidsstykket 14 under en liten vinkel. 1 praksis har det vist seg at gass-strbmmen fra dysen 48 bor krysse i et plan parallelt med arbeidsstykkets overflate under en vinkel på mellom 5 og 10°, Kombinasjonen av den super-soniske tetningsgass-strbm fra dysen 48 og den subsoniske sekundære gass-strom fra kanalen 32 blokkerer effektivt gass fra omgivelsene fra å stromme oppover inn i kanalen 26 for elektronstrålen 12. Ved praktiske forsok har det vist seg at trykket i kanalen 26

vil falle 50 yu Hg når det strommer gass gjennom kanalene 32 og 46.

Det er således foruten en effektiv forhindring av tilstopping av

utlopsåpningen 30 oppnådd en selvpumpende effekt. -

Som nevnt ovenfor skal oppfinnel1sen ikke

bare tjene til å forhindre tilstopping av utlopsåpningen, men også

til å forminske svekkelsen av strålen ved i mest mulig grad å

redusere faren for kollisjon mellom elektroner og gassm<p>lekyler.

I henhold til oppfinnelsen ligger det kritiske punkt ved reduk-

sjonen av denne kollisjonsfare ikke i hastigheten av den nyttede gass eller gasser, d.v.s. utfbrelsen ifblge fig. 1 og 2'vil fungere med en sekundær gass-strom fra kanalen 32 strommende med subsonisk hastighet. Til tross herfor vil ved minskning av lengden av banen

i

for elektronstrålen gjennom den sekundære gass-strom, faren for en stor del kollisjoner elimineres. Ved en praktisk utfjiirelse kan tilforselskanalen for den sekundære gass bestå av en ledning med en diameter på 1 mm som munner ut i nærheten av, på11 tvers av og under en vinkel med strålen som strommer ut av åpningen,

som likeledes kan ha en diameter på 1 mm. Den bane hvor*i den sekundære gass vil oke faren for kollisjoner har sålede1<s>tilnær-

1

melsesvis form av en sylinder med en lengde på en millimeter og en diameter på en millimeter. Kollisjonsrisikoen kan tjjdeligvis reduseres ytterligere ved å anvende en inert gass med iiten vekt,

så s0m torr nitrogen eller helium i den sekundære strom. -

i

De viste utforelsesformer for oppfinnelsen

medforer vesentlige fordeler overfor teknikkens nåværende stand-

punkt på området. Eksempelvis muliggjor den enkle utforelse

kboinllstirg ukkosjnosn truokg sljoen tt og veldleitkt ehvoelddli, kevhiol ldga. sI sfotribllruekgeg t tivælr]e enkreellativt lavt siden der nyttes gass med liten hastighet. Viderej kan veg-

gene i huset 20, da de er forholdsvis tykke, lett utformes med kanaler for kjolevæske for derved å minske erosjonsproblemet. -

Claims (1)

1. Apparat for bearbeidelse ajv materiale i gassformede omgivelser med en sterk stråle av ladedej partikler frembragt i en evakuert- eller lavtrykksbeholder og passerende gjennom en utlopsåpning i beholderen for å angripe på et arbeidsstykke plassert utenfor beholderen, i en gassfprmet atmosfære med et hoyere trykk, karakterisert ved at en gasstilforselskanal (32) forbundet med en kilde! (34) for 1 gass under trykk er innrettet til å tomme en subsonisk gass- strom ut gjennom nevnte utlopsåpning (30) for strålen, inn i omgivelsene omkring det materiale som skal bearbeides^ under en I 1 vinkel på mellom 30 og 60° med hensyn til strålens akse, og at innretninger (25,28 resp. 40,50) er plassert langs stråleaksen i nærheten av tommeenden for nevnte gasstilforselskanal (32) for å hemme gass-stromning fra omgivelsene inn i den evakuerte beholder (10). -

2. Apparat ifolge krav 1, hvor utlopsåpningen for strålen avslutter en kanal for samme, karakterisert ved at nevnte gasstilforselskanal omfatter motstående indre og ytre veggflater (35,36) som samvirker til dannelse av en ledning som med sin inntaksende er forbundet med nevnte gasskilde (34), idet den ytre veggflate (36) ender ved nevnte utlopsåpning (30) og den indre veggflate (35) ender ved kanalen (26) for strålen. -

3. Apparat ifolge krav 2, karakterisert ved at utlopsåpningen (30) som står i forbindelse med nevnte stråle-kanal (26) omfatter en skrårettet veggflate i retning av gass-strommen på den side av stråle-kanalen som ligger motsatt tommeenden for nevnte ledning , hvilken skrå-vegg ligger i flukt med endepartiet av nevnte lednings innervegg. -

4. Apparat ifolge krav 2 eller 3, karakterisert ved at de indre og ytre veggflater (35.3 6) i nevnte ledning (32) dannes av parallelle, i innbyrdes avstand liggende vegger i området for kanalen (26) for strålen, hvilke parallelle vegger skråner under en vinkel på mellom 40 og 50° med hensyn til stråleaksen. - *5« Apparat ifolge et av de foregående krav, karakterisert ved at nevnte gasskilde består av en kilde med inert gass som holdes under et trykk på mellom 1,4 og 2,1 kg/cm 2. -

6. Apparat ifolge et av kravene 1-4, karakterisert ved at nevnte innretninger for hemming av gass-strommen fra omgivelsene inn i den evakuerte beholder (10) omfatter et trinn i et kaskade-vakuumsystem,hvilket trinn står i forbindelse med henholdsvis nevnte stråle-kanal (26) eller stråle-utlbpsåpningen (30) ovenfor avslutningen av den indre vegg (35) av gasstilfdrselsledningen (32). -

7. Apparat ifolge krav 6, karakterisert ved at nevnte vakuumtrinn omfatter en gass-borttrekkende kanal (25)forbundet med en vakuumpumpe (28). -

8. Apparat ifolge et av kravene 1-5*karakterisert ved at nevnte innretninger for hemming av gass-strommen fra omgivelsene inn i beholderen omfatter organer (40) anordnet nedenfor gass-tilforselskanalen (32), for uttømming av en annen gass-strom i nærheten av stråle-utlopsåpningen (30) for her å danne en tversoverrettet gass-tetning. - 9* Apparat ifolge krav 8, karakterisert ved at nevnte organer (40) for uttbmming av den annen gass-strbm omfatter en dyse (48) som begrenser en gasskanal (46) og som meddeler denne annen gass-strom supersonisk hastighet. -