DE1765852B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung von metallischen Werkstoffen mit magnetisch fokussieren Ladungsträgerstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von metallischen Werkstoffen mit magnetisch fokussierten Ladungsträgerstrahlen, wobei der Fokussierungszustand periodischen Schwankungen unterworfen wird.

Die Anwendung von Ladungsträgerstrahlen zur Werkstückbearbeitung ist in verschiedenen Vorrichtungen bereits bekannt

In der deutschen Patentschrift 937 108 wird auch bereits eine Anordnung mit elektronenoptischer Linse zur Änderung der Leistungsdichte des Strahles offenbart Zum bekannten Stand der Technik ist außerdem die Verwendung einer elektromagnetischen Linse zu rechnen, deren Speisespannung eine Wechselspannungskomponente fester Frequenz überlagert ist, so daß sich die Brennweite der Linse frequenzabhängig ändert (DT-AS 1 184 435 und FR-PS 1 285 667).

Für verschiedene Anwendungsfälle, insbesondere beim Schweißen mit Elektronenstrahlen erscheint es wünschenswert, die Leistungsverteilung im Auftreffquerschnitt des Elektronenstrahls, d. h. an der Bearbeitungsstelle veränderbar zu gestalten, wodurch eine bessere Anpassung an die Materialeigenschaften zur Erzielung einwandfreier Schweißverbindungen ermöglicht wird.

Durch die OE-PS 261 767 ist zwar bereits ein Elektronenstrahl-Bearbeitungsverfahren vorbekannt bei dem die Intensitätsverteilung des Elektronenstrahls so eingestellt wird, daß der Strahl an der Bearbeitungsstelle einen Kern mit einer für die eigentliche Bearbeitung notwendigen Leistungsdichte und einen den Kern umgebenden Hof mit geringerer Leistungsdichte aufweist Die bekannte Vorrichtung, mit der dieser Effekt erreicht werden soll, weist jedoch ausschließlich elektromagnetische Fokussierungsmittel auf, die nicht mit einer für die Veränderung der Leistungsverteilung häufig wünschenswerten hohen Frequenz beaufschlagt werden können. Elektromagnetische Linsen können in zufriedenstellender Weise nicht mit hochfrequenten Strömen beaufschlagt werden, da sie im wesentlichen als Drosseln wirken und mindestens eine Deformation der Impulse bzw. des Impulsverlaufs bewirken. In der genannten Druckschrift wird ausgeführt daß nur der Strahlkern eine für die eigentliche Bearbeitung notwendige Leistungsdichte aufweisen soll. Der den Kern umgebende Bereich geringerer Inteniitätsdichte soll eine thermische bzw. härtende Wirkung auf die zu bearbeitenden Kunststoffe ausüben, wodurch ein Aufwölben der Oberfläche vermieden wird. Das vorbekannte Verfahren ist daher auf die Bearbeitung dünner Kunststoffolien beschränkt

Zur Lösung der beschriebenen Aufgabenstellung wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß zur steuerbaren Intensitätsverteüung zwischen Mittel- und Randbereich im Strahlquerschnitt an der Auftreffstelle des Ladungsträgerstrahles auf dem Werkstück eine im Strahiweg zusätzlich zu der magnetischen Linse in an sich bekannter Weise mindestens einfach vorhandene elektrostatische Linse verwendet wird, und daß das Potential an dieser Linse periodisch in mich der gewünschten Intensitätsverteilung vorgegebener Kurvenform des Potentialverlaufs mit einer Frequenz oberhalb 600 Hz verändert wird.

Mittels eines solchen Verfahrens ist es möglich, das Elektronenstrahlbündei auch mit hohen Frequenzen zu fokussieren bzw. zu defokussieren. Die Defokussierung, d. b. die Veränderung der Leistungsdichte im Auftreffpunlct und die damit verbundene Vergrößerung des Strahlflecks kann auf zwei Arten erfolgen:

a) Im Fall einer Überfokussierung entsteht der Fokus oberhalb des Auftreffpunktes des Strahls an der Werkstückoberfläche. Die Intensitätsverteilung in dem vergrößerten Strahlfleck auf dem Werkstück hat in der Mitte nicht mehr das ausgeprägte Maximum wie beim fokussieren Strahl. Die Sammelwirkung der Liinse ist in diesem Fall größer als optimal.

b) Im Fall einer »Unterfokussierung« entsteht ein Brennfleck mit einer hohen Randintensität »Unterfokussierung« bedeutet im Hinblick: auf einen vorgegebenen Abstand zwischen Werkstück und Elektronenlinse, daß der Strahlfokus innerhalb des Werkstücks bzw. jenseits seiner Oberfläche liegt

Durch Veränderung der Zeitanteile der beiden Fokussierungszustände und durch Einstellung dazwischenliegender Fokussierungszustände, z. B. optimaler

Fokussierung, die sich mit hoher Frequenz abwechsein, läßt sich die Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt in weiten Grenzen beeinflussen. Es besteht somit die Möglichkeit, durch Veränderung der Kurvenform die verschiedensten Intensitätsverteilungen zwischen Mittelbereich und Randbereich im Strahlquerschnitt an der Auftreffstelle herbeizufahren. Es lassen sich beispielsweise am Werkstück Querschnitte mit sehr starker Mittelintensität und breiter, geringer Strahlintensität im Randbereich erzielen. Für bestimmte Anwendungsfälle kann die Einstellung zweckmäßig in der Weise erfolgen, daß der Ladungsträgerstrahl an seiner Auftreffstelle eine hone Randintensität mit geringer Intensität im Mittelbereich aufweist

Die periodische Potentialänderung an der elektrostatischen Linse wird zweckmäßig in bekannter Weise mit Hilfe eines Wechselspannungsgenerators erzeugt, welcher verschieden" Spannungsformen wie Sinusform, Trapezform, Sägezahnform, Impulsform usw, erzeugen kana. Für eine Einstellung mit hoher Mittelintensität und geringer Randintensität ist daher eine solche Impulsform des Potentialverlaufs zu wählen, bei der die Impulsstrecken mit Fokussierung auf der Werkstückoberfläche gegenüber den Impulsstrecken mit Defokussierung überwiegen. Von Bedeutung ist dabei die rasche Potentialänderung oberhalb 600 Hz, z. B. mit 5 kHz, weiche eine stabile Intensitätsverteilung ermöglicht Das Intensitätsprofil kann dabei als quasistatisch angesehen werden.

Mit dem Erfindungsgegenstand ist bei Elektronenstrahl-Bearbeitungsprozessen, insbesondere beim Schweißen der Vorteil verbunden, daß sich mechanisch und optisch günstigere Ergebnisse erzielen lassen. Soweit dabei ein Aufschmelzen des Werkstoffs erfolgt, bildet, sich beim Erstarren des Werkstoffs eine wesentlich glattere Oberfläche aus. Beim Schweißverfahren äußert sich dies so, daß die sogenannte Schweißraupe weniger stark in Erscheinung tritt Weiterhin ergibt sich beim Erstarren ein feineres, gleichmäßigeres Gefüge, was damit erklärt wird, daß durch den erfindungsgemäßen Vorgang die Erstarrungsfronten in erwünschter Weise gestört werden. Schließlich kann durch den Gegenstand der Erfindung auch der Temperaturgradient so gesteuert werden, daß ein unzulässiges Überhitzen des Werkstoffes vermieden wird. Dadurch unterbleiben der Auswurf von Material und die Bildung von Poren innerhalb der Schweißnaht

Die mit dem veränderbaren Potential beaufschlagte elektrostatische Linse kann zweckmäßig entweder eine rotationssymmetrische Linse sein, oder sie kann aus mehreren Plattenpaaren bestehen, welche unter Umständen vorteilhaft mit verschiedenen Wechselspannungsgeneratoren unterschiedlicher Kurvenform beaufschlagbar sind. Damit bietet sich eine Möglichkeit, das Strahlprofil im Auftreffquerschnitt abweichend von der Rotationssymmetrie derart zu steuern, daß in der Bearbeitungsrichtung, d. h. in der Bewegungsrichtung des Werkstücks gegenüber dem Ladungsträgerstrahl eine andere Intensitätsverteilung zwischen Mittelbereich und Randbereich vorliegt, als senkrecht zu dieser Bearbeitungsrichtung. Eine solche Ausbildung ermöglicht eine weitere, sehr vorteilhafte Anpassung an die technologischen Voraussetzungen des Bearbeitungsverfahrens und fördert die Erzielung einer einwandfreien Bearbeitungsstelle.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur

ίο Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und ihre Wirkungsweise seien nachfolgend an Hand der Figur näher erläutert

Grundlage bildet eine bekannte Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mittels Ladungsträgerstrahlen, im allgemeinen in der Form von Elektronenstrahlen, die von einer Elektronenquelle 1 ausgehen und als Elektronenstrahl durch eine elektrostatische linse 2 sowie nachfolgend durch eine elektromagnetische Linse 3 hindurchtreten. Die elektromagnetische

ao Linse 3 wird in an sich bekannter Weise über nicht gezeigte stabilisierte Spannungsversorgungsgeräte derart gespeist, daß eine konstante Brennpunktslage auftritt Die elektrostatische Linse 2 besteht aus einem ringförmigen Mittelteil 21 sowie oberhalb und unterhalb des

»5 ringförmigen Mittelteils 21 angeordneten Lochblenden 22, 23. An diese elektrostatische Linse 2 wird eine periodische Spannung eines Wechselspannungsgenerators 4 gelegt, wobei die Einstellung verschiedener Kurvenformen möglich sein soll.

An der Auftreffstelle des Elektronenstrahles 5 auf dem Werkstück 6 ergibt sich eine entsprechende Intensitätsverteilung zwischen Mittelbereich und Randbereich im Strahlquerschnitt, die in der gezeigten Ausführungsform mit rotationssymmetrischer elektrostatischer Linse 2 gleichfalls rotationssymmetrisch sein muß.

Wird dagegen der rotationssymmetrische Mittelteil 21 der elektrostatischen Linse 2 durch trennende Einschnitte in mehrere kreisbogenförmige Elektrodenteile unterteilt, so können an diese Elektrodenteile unterschiedliche Kurvenformen des Potentialverlaufs aus weiteren Wechselspannungsgeneratoren analog Pos. 4 angelegt werden, so daß sich eine nahezu beliebige, nicht rotationssymmetrische Intensitätsverteilung zwi-

sehen Mittelbereich und Randbereich erfüllen läßt Auf diese Weise gelingt z. B. die Ausbildung von Ladungsträgerstrahlen, deren Leistungsdichteprofil an der Auftreffstelle längs der Beugungsrichtung hohe Mittelintensität und schwache Randintensität aufweist während das Profil senkrecht zur Bewegungsrichtung hohe Randintensität und geringe Mittelintensität besitzt.

Patentschutz wird nur begehrt jeweils für die Gesamtheit der Merkmale eines jeden Anspruchs,

also einschließlich seiner

Rückbeziehung. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

i 765 *' Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bearbeitung von metallischen Werkstoffen mit magnetisch fokussieren Ladungs- S trägerstrahlen, wobei der Fokussierungszustand periodischen Schwankungen unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur steuerbaren Intensitätsverteilung zwischen Mittel- und Randbereich im Strahlquerschnitt an der Auftreff- ίο steile des Ladungsträgerstrahles auf dem Werkstück eine im Strahlweg zusätzlich zu der magnetischen Linse in an sich bekannter Weise mindestens einfach vorhandene elektrostatische Linse verwendet wird, und daß das Potential an dieser Linse periodisch in nach der gewünschten Intensitätsverteilung vorgegebener Kurvenform des Potentialverlaufs mit einer Frequenz oberhalb 600 Hz verändert wird.

Z Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ao nach Anspruch 1, wobei im Strahlweg zusätzlich zur magnetischen Linse mindestens eine elektrostatische Linse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrostatischen Linse (2) ein Wechselspannungsgenerator (4) aufgeschaltet ist, mittels as welchem das Potential an dieser Linse (2) periodisch in nach der gewünschten Intensitätsverteilung vorgegebener Kurvenform des Potentialverlaufs veränderbar ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatische Linse (2) rotationssymmetrisch ausgebildet ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatische Linse (2) aus mehreren Plattenpaaren besteht, die getrennt mit verschiedenen Spannungen unterschiedlichen Potentialverlaufs gespeist werdea

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsverteilung an den getrennten Plattenteilen so gewählt ist, daß ein Strahlprofil an der Auftreffstelle entsteht, dessen Intensität in Bearbeitungsrichtung auf dem Werkstück betrachtet, unterschiedlich ist gegenüber einer Betrachtungsrichtung senkrecht zur Bearbeitungsrichtung.