DE1941255B2 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR FOCUSING REGULATION OF AN ELECTRON BEAM - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Fokussierungsregelung eines von einem Strahlerzeugersystem auf ein zu schweißendes, bohrendes, trennerdes oder schmelzendes metallische-. Werkstück gerichteten Elektronenstrahls mit einer Einrichtung zur Erfassung des Zustandes am Strahlauftreffpunkt, deren Ausgangssignale zur Fokussierungsregelung herangezogen werden.The invention relates to a method and an arrangement for focusing control of a beam generator system on a welding, drilling, separating or melting metallic-. Workpiece directed electron beam with a Device for detecting the condition at the point of impact of the beam, its output signals for focusing control can be used.

Eine Anordnung mit den eingangs genannter Merkmalen läßt sich der französischen Patentschrif¹ 498 559 entnehmen. Hier wird das optische Bile des Strahlauftreffpunktes auf dem Werkstück hin sichtlich seiner Brillanz ausgewertet; dies ist vorteil haft gegenüber manuell-optischen Verfahren, da dii Fleckhelligkeit objektiv gemessen werden kann, an statt sie subjektiv abzuschätzen. Ferner ist es be kannt, die Fokussierung in Abhängigkeit von den Strom nachzustellen, der durch das Werkstück fließ! Die erzielbare Genauigkeit ist aber noch unbefriedi gend. insbesondere beim Elektronenstrahlschweißer bei dem sich häufig der Abstand zwischen Strah¹ erzeuger und Strahlauftreffpunkt ändert.An arrangement with the above-mentioned features can be found in the French Patentschrif ^1,498,559. Here the optical image of the point of impact of the beam on the workpiece is evaluated in terms of its brilliance; this is advantageous compared to manual optical methods, since the brightness of the spots can be measured objectively instead of being assessed subjectively. It is also known to readjust the focus depending on the current that flows through the workpiece! However, the achievable accuracy is still unsatisfactory. especially with electron beam welder where the distance between the beam ¹ generator and the beam impact point often changes.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren im eine zu seiner Durchführung geeignete Anordnur für die automatische Fokussierung des Elektronei Strahls zu schaffen, der bei der Elektronenstrahl bearbeitung auf ein Werkstück gerichtet ist, derai daß selbst bei sich ändernden Abständen zwischcThe object of the invention is to provide a method in an arrangement suitable for its implementation for the automatic focusing of the electron beam created by the electron beam Processing is directed to a workpiece, derai that even with changing distances between

Strahlerzeuger und Werkstück, wie etwa beim Schweißen, eine sehr genaue Fokussierung erfolet.The beam generator and workpiece, such as when welding, are very precisely focused.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mittels einer Elektrode ein TeiF des vom Strahlauftreffpunkt rückgestreuten Elektronenflusses aufgefangen wird und der Fokussierungsstrom μ) nachgeregelt wird, daß der Elektrodenstrom bei bei einem Minimum liegt.This object is achieved according to the invention in that a TeiF of the from by means of an electrode Beam impact point of backscattered electron flow is captured and the focusing current μ) is readjusted so that the electrode current at is at a minimum.

Diese Lehre beruht auf der Erkenntnis, daß das Werkstück, wenn es einem Elektronenstrahl mit starker Unterfokussierung gegenüber dem soaenannten optimalen Fokussierungswert ausgesetzt ist. Elektronen rückstreut. Nähert man sich der Optimalfokussierung, so erfolgt eine gemischte Abstrahlung von Elektronen und Ionen, wobei nahe der Optimalfokussierung der aufgefangene Strom von Ionen und Elektronen durch einen Minimalwert geht. Wenn schließlich das Werkstück einem Elektronenstrahl ausgesetzt wird, der stark übertokussiert ist. so steigt der Strom wieder und nimmt am Ende wieder ab. sobald der Strahl übermäßig ^ctark de- ^:'i-'ⁱ.„>Mert ist.This teaching is based on the knowledge that the workpiece, if it is exposed to an electron beam with strong underfocusing compared to the so-called optimal focusing value. Backscattered electrons. If one approaches the optimal focus, a mixed emission of electrons and ions takes place, with the captured current of ions and electrons going through a minimum value near the optimal focus. Finally, when the workpiece is exposed to an electron beam that is severely over-focused. so the current increases again and decreases again at the end. as soon as the beam is excessively ^c strong de- ^: 'i-' ⁱ . "> Mert.

Der Ionen- und oder Elektronenstrom, der von dem Werkstück unter der Wirkung des auftrefienden Elektronenstrahls ausgeht, bildet demgemäß eine Meßgröße für die Fokussierung des Elektronenstrahls.The flow of ions and or electrons emitted by the workpiece under the action of the incident Electron beam goes out, accordingly forms a measured variable for the focusing of the electron beam.

Wie noch näher zu erläutern ist. geht man vorteilhafterweise ^o vor. daß die Elektronen hoher Energie mittels der Elektrode eingefangen werden, während thermische Elektronen und Ionen abgeschirmt werdenAs is to be explained in more detail. one proceeds advantageously ^ o. that the electrons of high energy can be captured by the electrode while shielding thermal electrons and ions will

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anordnungen werden nachstehend erläuie.t: ferner wird ein Anwendungsbeispiel im Zusammenhang mit einer Elektronenstrahlschmelzvorrichtung beschrieben.Arrangements suitable for carrying out the method according to the invention are given below erläuie.t: an application example in connection with an electron beam melting device is also provided described.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings.

Fig. 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung:Fig. 1 shows schematically a preferred arrangement for carrying out the method according to the invention:

F i g. 2 ist eine Kurve zur Darstellung der Änderungen des aufgefangenen Rückstrahlstromes und der Tiefe d..:r Schweißnaht in eintm Werkstück aus korrosionsfestem Stahl in Abhängigkeit von der Fokussierung eines Elektronenstrahles geringer Leistung; F i g. Fig. 2 is a graph showing changes in the collected return current and the depth d ..: r weld seam in a workpiece made of corrosion-resistant steel depending on the focus a low power electron beam;

Fig.? ist eine Kurve entsprechend F i g. 2 für mittlere Strahlleistung;Fig.? is a curve corresponding to FIG. 2 for medium beam power;

Fig. 4 ist eine Kurve entsprechend F i g. 2 für eine hohe Leistung des Elektronenstrahls:Figure 4 is a graph corresponding to Figure 4. 2 for a high power of the electron beam:

F i g. 5 zeigt eine weitere Anordnung zur Fokussicrungsregelung gemäß der Erfindung, besonders ^für Schweißung oder Bohrung:F i g. 5 shows a further arrangement for focusing control according to the invention, particularly ^for welding or drilling:

Fig. 6a. 6b bzw. 6c zeigen die Änderungen des Rückstrahlstromes, die sich aus dem Fluß der Elektronen niedriger Energie, dem Fluß der rückgestreuten Elektronen und dem Ionenstrom in Abhängigkeit von der Fokussierung des Elektronenstrahls ergeben;Figure 6a. 6b and 6c show the changes to the Backscattered current, which results from the flow of electrons of low energy, the flow of the backscattered Result in electrons and the ion current as a function of the focusing of the electron beam;

F i g. 7 zeigt die Stromänderungen für aufgefangene Elektronen niedriger Energie in Abhängigkeit vom Fokussierungsstrom für verschiedene Leistungen des Elektronenstrahls;F i g. 7 shows the changes in current for trapped electrons of low energy as a function from the focusing current for different powers of the electron beam;

Fig. 8 zeigt die Strcnänderung für aufgefangene rückgestreute Elektronen relativ hoher Energie in Abhängigkeit vom Fokussierungsstrom für verschiedene Leistungen des Elektronenstrahls;Fig. 8 shows the change in current for captured backscattered electrons of relatively high energy in Dependence on the focusing current for different powers of the electron beam;

F i g. 9 zeigt einen Vergleich zwischen dem Verlauf des Stromes aus rückgestreuten Elektronen relativ hoher Energie (F i g. 9 a) und der Ausbildung der entspiechenden Schweißnaht (Fig. 9b), jeweils in Abhängigkeit von der Fokussierung:
Fig. 10 zeigt das Verhältnis zwischen dem Strom /_ro der rückgestreuten Elektronen bei stark unterfokussierten Betrieb und dem Strom I_r der rückgestreuten Elektronen relativ hoher Energie bei korrekt fokussiertem Betrieb in Funktion von der Tiefe derF i g. 9 shows a comparison between the course of the current from backscattered electrons of relatively high energy (FIG. 9 a) and the formation of the corresponding weld seam (FIG. 9 b), each depending on the focus:
10 shows the relationship between the current / _{ro of} the backscattered electrons in the case of strongly underfocused operation and the current I _{r of} the backscattered electrons of relatively high energy in the case of correctly focused operation as a function of the depth of the

ίο gewonnenen Schweißnaht für verschiedene relative Verschiebegeschwindigkeiten des Bündels oder Strahls bezüglich des Werkstücks undίο obtained weld seam for different relative Displacement speeds of the bundle or beam with respect to the workpiece and

F i g. 11 ist eine schematische Darstellung der Anwendung einer Anordnung gemäß der Erfindung fürF i g. 11 is a schematic of the application an arrangement according to the invention for

die Regelung des Schmclzens eines Metallbarrens und die Aufrechterhaltung der flüssigen Phase in der Abzieheinrichtung, welche das geschmolzene Nietall aufnimmt.the regulation of the melting of a metal ingot and the maintenance of the liquid phase in the Pulling device that picks up the melted rivet.

Nach Fig. 1 umfaßt eine Anordnung gemäß de:According to Fig. 1, an arrangement according to de:

Erfindung im wesentlichen einer negatives Potential führenden Ring 1. gespeist von ue· Stromquelle 2. Der Ring ist zwischen einem positives Potential aus der Stromquelle 4 führenden Gitter 3 und einer Blende 5 angeordnet, die mit Masse 6 verbunden ist.Invention essentially a negative potential leading ring 1. fed by ue · power source 2. The ring is between a positive potential the power source 4 leading grid 3 and a screen 5, which is connected to ground 6 is arranged.

Die Einrichtung für die Ermittlung des vom Ring 1 aufgefangenen Stromes umfaßt ein übliches Voltmeter 7. das parallel geschaltet ist einem Widerstand 8. der sich im Stromkreis des Ringes befindet, während der — ebenfalls an sich bekannte.The device for determining the current collected by the ring 1 comprises a conventional voltmeter 7. that is connected in parallel to a resistor 8. that is in the circuit of the ring, while the - also known per se.

Regler 9 von dem durch den Ring 1 aufgefangenen Strom gespeist wird, und verbunden ist mit einer Fokussierungseinrichtung 10, beispielsweise einer elektromagnetischen Spule, die konvergent ist mit dem Elektronenbündel oder Strahl 11 (die Verbindung zwischen Regler 9 und Fokussierungseinrichtung 10 ist durch die gestrichelte Linie angedeutet). Schließlich ist in Fig. 1 noch das zu schweißende Werkstück 12 erkennbar, das mit Masse 6 verbunden ist und sich im Schußfeld des Elektronenstrahlerzeugers 13 befindet.Regulator 9 is fed by the current collected by the ring 1, and is connected to a Focusing device 10, for example one electromagnetic coil which is convergent with the electron beam or beam 11 (the compound between controller 9 and focusing device 10 is indicated by the dashed line). In the end the workpiece 12 to be welded can still be seen in FIG. 1, which is connected to ground 6 and is located in the The field of fire of the electron gun 13 is located.

Die Anordnung arbeitet wie folgt: Nachdem man annähernde Voreinstellung des Abstandes zwischen dem Strahlerzeuger 13 und dem zu schweißenden Werkstück 12 vorgenommen und die Schweißleistung sowie die Geschwindigkeit des Vorschubs gewählt hat. wird der Strahlerzeuger in Betrieb gesetzt. In dem Fall, wo die aufgewandte Energie hoch ist. erzeugt der Elektronenstrahl 11 durch sein AuftrefTen auf das zu schweißende Werkstück 12 eine lonen- und Elektronenstrahlung, die teilweise von dem Ring 1 wieder aufgefangen wird. Der sieh ergebende elektrische Strom mit der Intensität / wird dem Regler 9 zugeführt, welcher die Fokussierungseinrichtung 10 steuert, bis sich eine optimale Fokussierung /₀ ergibt, entsprechend einer Intensität I_si (Fig. 4).The arrangement works as follows: After an approximate pre-setting of the distance between the beam generator 13 and the workpiece 12 to be welded has been made and the welding power and the speed of the advance have been selected. the jet generator is put into operation. In the case where the energy used is high. When it strikes the workpiece 12 to be welded, the electron beam 11 generates an ion and electron beam which is partially intercepted again by the ring 1. The resulting electric current with the intensity / is fed to the controller 9, which controls the focusing device 10 until an optimal focusing / ₀ results, corresponding to an intensity I _si (FIG. 4).

Während d?r Durchführung der Schweißung bewirkt jede Änderung der Fokussierung infolge einer Änderung des Abstandes der Schweißstelle eine Änderung des von dem Werkstück 12 ausgehenden Stromes und infolgedessen ein unmittelbares Ansprechen des Reglers 9, der seinerseits eine Änderung der Fokussierungseinstellung bis zu einem neuen optimalen Wert bewirkt.While the weld is being carried out, any change in focus as a result of a A change in the distance between the welding point means a change in the distance emanating from the workpiece 12 Current and consequently an immediate response of the controller 9, which in turn a change the focus adjustment to a new optimal value.

Die Funktion der Anordnung für kleine und mittlere Leistungen des Elektronenstrahls ist in allen Punkten vergleichbar.The function of the arrangement for small and medium powers of the electron beam is in all points comparable.

Wenn man die Höhe des vom Ring 1 aufgefangenen Stromes in Funktion vom Abstand der Fokussie-If the level of the current collected by the ring 1 is a function of the distance between the focussing

rung als Kurve aufzeichnet, beobachtet man in allen Auf der Innenseite der Abdeckung 22 .st eintion recorded as a curve, can be observed in all. On the inside of the cover 22 .st a

Fällen daß der Strom durch ein Minimum geht, das ebener Kre.sr.ng 27 angeordnet, welcher du. asu. dem optimalen Wert entspricht. Elektrode bildet, deren Achse zusammenfallt nutIf the current goes through a minimum, the level Kre.sr.ng 27 is arranged, which you. Asu. corresponds to the optimal value. Forms electrode whose axis coincides groove

Tn Fi Γ"» sind auf der Ordinate für einen Strahl der Achse des Rohres 25. Diese Elektrode ist eincrueringer Leistung die Änderungen des aufgefangenen 5 seits an einen — an sich bekannten — Fokussie-Stromes / in mA aufgetragen sowie die Tiefe der rungsrcgler 28 angeschlossen und andererseits an Schweißnaht e in mm für ein Werkstück aus korro- eine Meßeinrichtung 29, welcher ein Widerstand 30 sionsfcstem Stahl als Funktion der Fokussierung des parallel liegt. Der Regler 28 ist über e.ne Verladung Elektronenstrahls /, ausgedrückt in willkürlichen Ein- 34 (in gestrichelten Linien angedeutet)' £' «»" heilen Die Leistung des Strahles wird bezogen auf io Fokussierungseinnchtung 31 für den Elektronen die Bewegungsgeschwindigkeit des zu schweißenden strahl 32 verbunden, der von dem Strahlerzeuger W Werkstücks Im Fall der Fig. 2 entspricht die Lei- emittiert wird. Der Regler28, die Meßeinrichtung29 stung einer Energiezufuhr von 0,35 Kilojoulc/cm. und der Widerstand 30 sind, wie in der Ze.chnungTn Fi "» are on the ordinate for a beam of the axis of the tube 25. This electrode is a cruising power, the changes in the captured 5 hand on a - known - focus current / plotted in mA and the depth of the rungsrcgler 28 connected and on the other hand at the weld seam e in mm for a workpiece made of corrosive a measuring device 29, which has a resistance 30 sion-proof steel as a function of the focusing of the parallel. indicated in dashed lines) '£' «» "heal The power of the beam is related to io focusing device 31 for the electron, the speed of movement of the beam 32 to be welded, which corresponds to the workpiece from the beam generator W. In the case of FIG. is emitted. The regulator28, the measuring device29 output an energy supply of 0.35 kilojoulc / cm. and resistor 30 are as in the drawing

Man erkennt in F i g. 2, daß der Strom / zunächst dargestellt, an Masse gelegt.One recognizes in FIG. 2 that the current / initially shown, connected to ground.

einen negativen Wert besitzt entsprechend einem 15 Im Inneren des Gehäuses 21 ist eine zweite bieK-Betrieb der Unterfokussierung des Strahls, danach trode 35, welche im wesentlichen kegelstumpfforrnig einen positiven Wert annimmt, der bis zu einem ist, angeordnet, deren Achse mit der Gehäuseachse Maximum /« verläuft, von dem aus die Fokussie- zusammenfällt; die Elektrode führt negatives Potenrune den optimalen Wert L anstrebt. Der Strom geht tial, im allgemeinen von der Größenordnung von dabei durch ein Minimum l_m entsprechend der üpti- ao einigen 10 V, das ihr von der Spannungsquelle 36 zumalfokussierung f₀ und danach durch ein zweites geführt wird, die andererseits mit Masse 26 über den Maximum Iu,, wenn die Fokussierung von dem opti- Widerstand 37 verbunden ist. malen Wert sich entfernt. Schließlich erreicht man Eine dritte konzentrische Elektrode 38, die par-has a negative value corresponding to a 15 Inside the housing 21 is a second bieK mode of underfocusing the beam, then trode 35, which assumes a substantially truncated cone-shaped positive value, which is up to one, the axis of which with the housing axis maximum / «Runs from which the focus coincides; the electrode leads negative power runes aiming for the optimal value L. The current goes tial, generally of the order of magnitude here, through a minimum l _m corresponding to the üpti- ao a few 10 V, which is led to it by the voltage source 36 to focus f ₀ and then through a second, which on the other hand is connected to ground 26 via the Maximum Iu ,, when the focus from the opti-resistor 37 is connected. paint worth taking away. Finally, a third concentric electrode 38 is reached, which is par-

bei überfokussierungsbetrieb eine Stromänderung, allel zur Elektrode 35 angeordnet ist, befindet sich die etwa vergleichbar ist mit den Änderungen, die 15 ebenfalls i.-i Innern des Gehäuses 21; diese Elektrode sich bei Betrieb mit Unterfokussierung ergeben. 38 ist an positives Potential in der Größenordnungin overfocusing operation there is a change in current allel of the electrode 35 which is roughly comparable to the changes that 15 also i.-i inside the housing 21; this electrode result from operation with underfocusing. 38 is on the order of positive potential

Dabei durchläuft die Höhe der Schweißnahte ein von einigen 10V gelegt, mittels der Spannungsquelle Maximum e_M, das recht genau dem Minimum /_m in 39, die über den Widerstand 40 an Masse gelegt der Kurve / entspricht und infolgedessen bei der ist.The height of the weld seam runs through a set of a few 10V, by means of the voltage source maximum e _M , which corresponds quite precisely to the minimum / _m in 39, which, connected to ground via the resistor 40, corresponds to the curve / and consequently is at the.

OptimaTfokussierung des Strahls/₀ vorliegt. Dies läßt 30 Man erkennt in Fig. 5 außerdem das Werkstück auch verstehen, warum die möglichen praktischen 41 sowie den Elektronenstrahl 32, der von dem Grenzen für die Regelung relativ eng sind und es Strahlerzeuger 33 abgegeben wird, und das Bündel kritisch ist, die beste Stellung sicher zu halten. 42 der reemittierten Quanten von dem Werkstück.OptimaTfocusing of the beam / ₀ is present. This can be seen in Fig. 5 also understand the workpiece, why the possible practical 41 and the electron beam 32, which are relatively narrow from the limits for the control and the beam generator 33 is emitted, and the beam is critical, the best To hold position securely. 42 of the re-emitted quanta from the workpiece.

In F i g. 3 sind die gleichen Parameter wie in Die Arbeitsweise der Anordnung ist, beispielsweise Fig. 2 dargestellt, jedoch für eine mittlere Strahl- 35 beim Schmelzen oder Schweißen, die folgende: leistung entsprechend einer Energiezufuhr von Nachdem eine annähernde Voreinstellung des Ab-In Fig. 3 are the same parameters as in The operation of the arrangement is, for example Fig. 2, but for a medium beam 35 during melting or welding, the following: power corresponding to an energy supply of After an approximate pre-setting of the

1,86 ki/cm. Man erkennt auch in dieser Figur, daß Standes des Strahlerzeugers 33 vom zu schmelzenden das Minimum /_m der /-Kurve recht genau der maxi- oder schweißenden Werkstück 41 eingestellt worden malen Tiefe e_u der Schweißnaht entspricht und in- ist und die Energie des Elektronenstrahls pro cm gefolgedessen der optimalen Fokussierung /₀. 40 wählt worden ist, d. h. die Schweißleistung in Funk-1.86 ki / cm. It can also be seen in this figure that the position of the beam generator 33 from the one to be melted, the minimum / _{m of} the / curve has been set very precisely to the maximum or welded workpiece 41, the depth e _{u of} the weld seam corresponds to and the energy of the electron beam per cm followed the optimal focus / ₀ . 40 has been selected, i.e. the welding performance in radio

Dabei besitzt die Stromkurve keinen negativen tion von der Bewegungsgeschwindigkeit des Werk-Anfang, was darauf zurückzuführen ist, daß bei der Stücks, wird der Strahlerzeuger 33 in Betrieb gesetzt, gegebenen Leistung das Schmelzen und die Emission Der Elektronenstrahl 32 ruft durch sein Auftreffen positiver Ionen sich selbst in dem Fall ergibt, daß auf das Werkstück 41 ein rückgestrahltes Bündel 42 der Strahl stark unterfokussiert ist. 45 hervor, bestehend aus rückgestreuten Elektronen,The current curve has no negative tion from the speed of movement of the start of the work, which is due to the fact that at the piece, the jet generator 33 is put into operation, given power the melting and the emission. The electron beam 32 calls by its impact positive ions results even in the event that a retroreflected beam 42 the beam is severely underfocused. 45, consisting of backscattered electrons,

In F i g. 4 sind die gleichen Parameter wie in Elektronen niedriger Energie und Ionen. Das Bünd-Fig. 2 dargestellt, jedoch für eine hohe Elektronen- nis 42 dringt in das Gehäuse 21 über die ringföimige Strahlleistung entsprechend einer Energiezufuhr \oa öffnung 24 ein und gelangt demgemäß in den Zwi- 6ß kj/cm. Man erkenn» <«uch in dieser Figur, daß das schenraum zwischen den Elektroden 35 und 38. Minimum /_m der /-Kurve recht genau der Maximal- 50 Infolge des elektrostatischen Potentials, das die getiefe e_H der Schweißnaht entspricht und demgemäß nannten Elektroden führen, werden die Ionen von der Optimalfokussierung /₀. dem elektrostatis hen Feld zur Elektrode 35 be-In Fig. 4 are the same parameters as in low energy electrons and ions. The bund fig. 2, but for a high electron penetration 42 penetrates the housing 21 via the ring-shaped beam power in accordance with an energy supply / oa opening 24 and accordingly reaches the range between 6 kJ / cm. One recognizes "<" also in this figure that the space between the electrodes 35 and 38. Minimum / _{m of} the / -curve quite exactly the maximum due to the electrostatic potential, which _{corresponds to the deep e H of} the weld seam and accordingly called electrodes lead, the ions are out of optimal focusing / ₀ . the electrostatic field to the electrode 35

Bei dieser Leistung ist das Schmelzen schon sehr schleunigt und dlo Elektronen niedriger Energie zur erheblich, selbst bei schwachen oder starken De- Elektrode 38, und die rückgestreuten Elektronen fokussierungen, und die erhaltene Kurve besteht nur 55 höherer Energie werden weniger abgelenkt und aus den Anteilen, welche zwischen den zwei Maxima setzen ihre Bahn mit »eringer Krümmung bis zur eingeschlossen sind. Elektrode 27 fort, wo sie eingefangen werden. UnterWith this power, the melting is already very accelerated and dlo electrons of low energy considerable, even with weak or strong de-electrode 38, and the backscattered electrons focussing, and the curve obtained consists of only 55 higher energies being deflected and less from the portions which set their orbit between the two maxima with a slight curvature up to the are included. Electrode 27 where they will be captured. Under

Unabhängig von der Leistung des Elektronen- diesen Umständen bilden die drei Fanganordnungen Strahls ergibt sich aber immer ein Stromminimum I_n, Quellen für drei Ströme, einen Ionenstrom Z₄. der zur für den vom Ring 1 aufgefangenen Strom, das der 60 Masse 26 über den Widerstand 37 geführt wird, Optimalfokussierung /₀ entspricht. einen Strom niedrigenergetischer (thermischer) Elek-Regardless of the power of the electron - these circumstances the three arresting arrangements form the beam, however, there is always a current minimum I _n , sources for three currents, an ion current Z ₄ . which corresponds to the _{optimum focus / 0} for the current collected by the ring 1, which is fed to the 60 mass 26 via the resistor 37. a stream of low-energy (thermal) elec-

Die F i g. 5 zeigt, daß die Regelanordnung gemäß tronen /„ die über den Widerstand 40 an Masse geweiteren Merkmalen der Erfindung ein zylindrisches langen, und schließlich einen Strom von rückge-Gehäuse21 mit einer Abdeckung 22 aus Isolier- streuten Elektronen relativ hoher Energie der dem material umfaßt sowie einen Boden 23 mit einer 65 Regler 28 zugeführt und mittels der Meßeinrichtung ringförmigen öffnung 24. Das Gehäuse 21 umfaßt 29 gemessen wird.The F i g. 5 shows that the control arrangement according to tronen / "which continues via the resistor 40 to ground Features of the invention a cylindrical long, and finally a stream of Rückge-Housing21 with a cover 22 made of insulating stray electrons of relatively high energy from the dem material includes and a bottom 23 with a 65 regulator 28 supplied and by means of the measuring device annular opening 24. The housing 21 comprises 29 is measured.

ein Axialrohr25, das ebenso wie das Gehäuse selbst In den Fig. 6a, 6b, 6c sind die Intensitätsände-an axial tube 25, which like the housing itself. In FIGS. 6a, 6b, 6c the intensity changes are

an Masse 26 gelegt ist nmgen der drei Ströme dargestellt, als Funktion derconnected to ground 26 is shown as a function of the three currents

Fokussierung, ausgedrückt in willkürlichen Einheiten; man erkennt, daß für die Elektronen niedriger Energie und für die Ionen (Fig. 6a bzw. 6c) die aarge?'.-Uten Kurven ein Minimum aufweisen, das zwischen zwei Maxima eingeschlossen ist, während für die rückgestreuten Elektronen höherer Energie die Kurve (Fig. 6b) nur ein Minimum aufweist. Alle diese Minimumwerte entsprechen, wie man weiß, der Optimalfokussierung/„ des Elektronenstrahls. Andererseits ist festzuhalten, daß für die gestreuten Elektronen die Anteile der Kurve, die sich beidseits des dargestellten Minimums befinden, eine sehr geringe Neigung aufweisen, wenn überhaupt eine vorhanden ist. Man erkennt daraus, daß die Ausnutzung des Stromes, der sich aus dem Auffangen der rückgestreuten Elektronen durch die Elektrode 27 ergibt, besonders interessant ist für die Regelung der Fokussierung des Elektronenstrahles auf seinen Optimalwert; der Strom wird hier dem Regler 28 zugeführt, welcher die Fokussierungseinrichtung31 steuert, bis die optimale Fokussierung/₀ entsprechend einem minimalen Intensitätswert der rückgestreuten Elektronen erreicht ist.Focus expressed in arbitrary units; it can be seen that for the electrons of low energy and for the ions (Fig. 6a and 6c) the aarge? '.- Uten curves have a minimum enclosed between two maxima, while for the backscattered electrons of higher energy the curve ( Fig. 6b) has only a minimum. As is known, all these minimum values correspond to the optimal focusing / "of the electron beam. On the other hand, it should be noted that, for the scattered electrons, the portions of the curve which are on both sides of the minimum shown have a very slight slope, if any. It can be seen from this that the utilization of the current resulting from the interception of the backscattered electrons by the electrode 27 is of particular interest for regulating the focusing of the electron beam to its optimum value; the current is fed to the controller 28, which controls the focusing device 31 until the optimum focusing / ₀ corresponding to a minimum intensity value of the backscattered electrons is reached.

Diese Erläuterungen lassen die Verbesserungen erkennen, die sich aus der Unterscheidung zwischen den rück^estreuten Elektronen relativ hoher Energie und den Elektronen niedrigerer Energie und den Ionen ergeben.These explanations indicate the improvements that result from the distinction between the backscattered electrons of relatively high energy and the electrons of lower energy and the Ions result.

Die Regelkurven, die aus der Überlagerung aller drei Ströme resultieren, sind so lange brauchbar und erbringen befriedigende Ergebnisse, als die Defokussierung der Messung zwischen relativ engen Grenzen liegt. Arbeitet man jedoch selektiv mit dem Elektronen- und dem Ionenstrom, so ergibt sich eine Kurve, die repräsentativ in Funktion des Fokussierungsstromes ist und keine ausgeprägten Mixima aufweist, sondern nur ein Minimum, womit die Fokussierung in wesentlich weiteren Grenzen möglich ist.The control curves that result from the superposition of all three currents can be used for a long time produce more satisfactory results than defocusing the measurement between relatively narrow limits lies. However, if one works selectively with the electron and ion currents, then one results Curve which is representative as a function of the focusing current and no pronounced mixima has, but only a minimum, which means that focusing is possible within significantly wider limits is.

In F i g. 7 ist der Strom /,, resultierend aus dem Elektronenfluß niedriger Energie, in Abhängigkeit sowohl von dem Fokussierungsstrom (Z-Achse) als auch von der Strahlspannung bzw. Strahlleistung aufgetragen. Man erkennt in der Figur den Verlauf der entsprechenden Fläche mit einem von ausgeprägten Maxima begrenzten Minimum, das den optimalen Fokussierungsbedingungen zugeordnet ist. Die Kurvenschar wurde für ein stillstehendes Werkstück relativ zum Strahl aufgezeichnet, die Kurve ändert ihren Verlauf nicht, wenn mit gleichbleibender Line?-verschiebung und gleichbleibender Leistung gearbeitet wird, wobei dann allerdings der y-Achse die Leistung pro Wegeinheit etwa in kj/cm aufzutragen ist.In Fig. 7 is the current / ,, resulting from the electron flow of low energy, as a function plotted both from the focusing current (Z-axis) and from the beam voltage or beam power. One recognizes in the figure the course of the corresponding area with a pronounced Maxima limited minimum associated with the optimal focusing conditions. the Family of curves was recorded for a stationary workpiece relative to the beam; the curve changes its course not if with constant line shift and constant performance work is carried out, although the y-axis then plots the power per unit of travel in approximately kJ / cm is.

In Fig. 8 ist die Änderung des Stromes/_r aufgetragen, die sich auf dem Fluß der rückgestreuten Elektronen in Funktion vom Fokussierungsstrom für verschiedene Leistungen und Spannungen des Elektronenstrahls ergibt. Man erkennt, daß auch in der Schar nach F i g. 8 das Tal entsprechend der Optimalfokussierung erscheint; man erkennt jedoch im Gegensatz zum vorangehenden Fall nicht die ausgeprägten Spitzen, die sich beidseits des Tales befanden. Die Regelung wird demgemäß vereinfacht. In* Falle der Fig. 8 kann man ebenso die Leistungen auf der y-Achse ersetzen durch die entsprechenden Energien pro cm und die kW durch kj/cm, ohne daß sich die erhaltene Kurvenform ändert.In FIG. 8, the change in the current / _{r is} plotted which results from the flow of the backscattered electrons as a function of the focusing current for various powers and voltages of the electron beam. It can be seen that in the group according to FIG. 8 the valley appears corresponding to the optimal focus; In contrast to the previous case, however, you cannot see the pronounced peaks that were on both sides of the valley. The scheme is simplified accordingly. In the case of FIG. 8, the powers on the y-axis can also be replaced by the corresponding energies per cm and the kW by kj / cm, without the curve shape obtained changing.

Die Fig. 9a und 9b zeigen einerseits in Fig. 9a den Verlauf des Stromes l_r der rückgestreuten Elektronen in Funktion von der Fokussierung bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung für9a and 9b show, on the one hand, in FIG. 9a the course of the current I _{r of} the backscattered electrons as a function of the focusing when using the method according to the invention for

die Schweißung und andererseits (F i g. 9 b) einen Schnitt durch die entsprechende Schweißnaht; man erkennt leicht, daß der Minimalwert von /_r einem optimalen Fokussierungsstrom/;- entspricht, wobei eine maximale Tiefe der Schweißnaht erzielt wird;the weld and on the other hand (FIG. 9 b) a section through the corresponding weld seam; it is easy to see that the minimum value of / _r corresponds to an optimal focusing current /; -, a maximum depth of the weld seam being achieved;

ίο alle übrigen Betriebs;· irameter sind dabei unverändert geblieben.ίο all other operating parameters are unchanged remained.

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In F i g. 10 ist die Änderung e des Verhältnisses -^ In Fig. 10 is the change e in the ratio - ^

zwischen dem Strom, der sich aus dem Fluß der rückgestreuten Elektronen /_ro bei stark unterfokussiertem Betrieb ergibt, und dem Strom, der sich aus dem Fluß der rückgestreuten Elektronen /, bei Optimalfokussierung ergibt, als Funktion der Tiefe der Schweißnaht dargestellt: Diese Kurve ist im wesentao liehen eine Gerade, unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des zu schweißenden oder schmelzenden Werkstücks.between the current that results from the flow of backscattered electrons / _ro in the case of heavily underfocused operation, and the current that results from the flow of backscattered electrons / with optimal focusing, as a function of the depth of the weld seam: This curve is shown in essential ao lent a straight line, regardless of the speed of movement of the workpiece to be welded or melted.

Eine Übertragung der Kurve nach Fig. 10 in die Kurvenschar nach F i g. 8 erlaubt die Bestimmung »5 des Fokussierungsstromes, welcher der Fokussierungsspule zugeführt werden muß, um eine Bohrung oder eine Schweißung eines Werkstücks vorgegebener Tiefe ?u bewirken; ausgehend von der gewählten Tiefe e leitet man unter Benutzung derA transfer of the curve according to FIG. 10 into the family of curves according to FIG. 8 allows the determination of the focusing current which must be supplied to the focusing coil in order to effect a drilling or welding of a workpiece of a predetermined depth? U; starting from the selected depth e , one derives using the

F i g. 6 den Wert des Verhältnisses j? ab.F i g. 6 the value of the ratio j? away.

Wenn das Verhältnis (-—} bekannt ist, kann man im Diagramm der F i g. 8 den Punkt /₀ des Tales für die entsprechende Optimalfokussierung finden. Man leitet den Fokussierungsstrom i_/0, der angelegt wetden muß, ab, unter Berücksichtigung der Leistung P₀, die definiert wird durch den Punkt auf dem Diagramm oder durch eine äquivalente Energie pro cm. In F i g. 11 ist schematisch eine Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt für die Steuerung des Schmelzens eines Metallbarrens sowie für die Aufrechterhaltung der flüssigen Phase in dem Abzug, welcher das geschmolzene Metall aufnimmt. Im Beispiel der Fig. 11 umfaßt eine solche Anordnung einen Abzug 51, der das geschmolzene Metall in fester Phase 52 enthält, das überlagert ist von einer in Schmelze befindlichen Flüssigphase 53. Oberhalb des Abzugs 51 ist der zu schmelzende Metallbarren 54 angeordnet, der in Drehung um seine Achse durch irgendwelche üblichen Einrichtungen versetzt wird. Das Ende dieses Barrens 54 besitzt kegelige Form, wobei die Kegelöffnung unter sonst gleichen Bedingungen unter anderem von der Heiz-55 leistung abhängt. Das Ende des Barrens 54 sowie die Phase des flüssigen Metalls in der Schmelze werden von dem Elektronenbündel 55 bestrahlt, das von einer nicht dargestellten Elektronenstrahlquelle ausgeht und die Ablenkeinrichtung 56 durchsetzt, über öo der flüssigen Metallphase 53 ist eine erste Leitung angeordnet, welche auf eine erste Elektrode 58 stößt und positives Potential aus einer Stromquelle führt, die über einen Widerstand 60 an Mas,e gelegt ist. Ein Millivoltmeter 61 erlaubt die Messung des 65 Stromes an den Klemmen des Widerstandes 60.If the ratio (-—} is known, the point / _{0 of} the valley for the corresponding optimal focusing _{can be found in the diagram in Fig. 8. The focusing current i / 0} that must be applied is derived, taking into account the Power P ₀ , which is defined by the point on the diagram or by an equivalent energy per cm In Fig. 11 an application of the method according to the invention is shown schematically for the control of the melting of a metal ingot as well as for the maintenance of the liquid Phase in the fume cupboard which receives the molten metal. In the example of FIG the metal ingot 54 to be melted is arranged, which is caused to rotate about its axis by any conventional means, and the end of this ingot 54 has ke gel-like shape, with the cone opening depending, among other things, on the heating output, all other things being equal. The end of the bar 54 and the phase of the liquid metal in the melt are irradiated by the electron beam 55, which emanates from an electron beam source (not shown) and passes through the deflection device 56 Electrode 58 strikes and carries positive potential from a current source which is connected to Mas, e via a resistor 60. A millivoltmeter 61 allows the current to be measured at the terminals of the resistor 60.

Oberhalb des Barrens 54 ist etwa auf der Höhe der Ablenkanordnung 56 eine zweite Leitung 62 angeordnet, weiche auf eine zweite Elektrode 53 stößt,A second line 62 is arranged above the bar 54 approximately at the level of the deflection arrangement 56, soft meets a second electrode 53,

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die mit Masse über eine Meßeinrichtung für den Strom 64 verbunden ist, beispielsweise ein MiIIiampcremeter. which is connected to ground via a measuring device for the current 64, for example a miniature ammeter.

Die Einheiten 57, 58 einerseits und 62, 63 andererseits werden vorteilhafterweise jeweils durch eine Einrichtung nach F i g. 5 ersetzt. Eine solche Anordnung arbeitet wie. folgt: Die Elektronen niedriger Energie, die von der flüssigen Phase 53 ausgehen, werden von der Elektrode 58 eingefangen, nachdem sie die Leitung 57 durchlaufen haben, und sie führen demgemäß zu einem Strom/,, der durch das Millivoltmeter 61 meßbar ist. The units 57, 58 on the one hand and 62, 63 on the other hand are advantageously each provided by a device according to FIG. 5 replaced. Such an arrangement works like. follows: The electrons of low energy emanating from the liquid phase 53 are captured by the electrode 58 after they have passed through the line 57, and they accordingly lead to a current / ,, which can be measured by the millivoltmeter 61.

Die rückgestreuten Elektronen werden von der Elektrode 63 eingefangen, und der sich ergebendeThe backscattered electrons are captured by the electrode 63, and the resultant

Strom I_r wird durch das Milliamperemeter 64 gemessen. Current I _r is measured by milliammeter 64.

Mit der Meßeinrichtung 61 kann man eine Einrichtung verbinden für die Steuerung des Ablenksystems 56 des Elektronenstrahls, derart, daß dieses System das Verhältnis der Energien ändert, die von dem Barren 54 einerseits und dem Abzug 51 andererseits empfangen werden, derart, daß die Phase des Metalls 53 genügend flüssig gehalten wird.A device for controlling the deflection system can be connected to the measuring device 61 56 of the electron beam, in such a way that this system changes the ratio of the energies that are generated by the bar 54 on the one hand and the trigger 51 on the other hand are received in such a way that the phase of the Metal 53 is kept sufficiently liquid.

In gleicher Weise kann man mit der Meßeinrichtung 64 eine Einrichtung für die Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit des Barrens 54 verbinden, mit dem Ziel, auf diese Weise eine gleichmäßige Abschmelzung des Barrens zu erzielen.In the same way, a device for controlling the feed rate of the ingot 54 can be connected to the measuring device 64 with the aim in this way to achieve a uniform melting of the ingot.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Fokussierungsregelung eines von einem StrahJerzeugersystem auf ein zu schweißendes, bohrendes, trennendes oder schmelzendes metallisches Werkstück gerichteten Elektronenstrahls mit einer Einrichtung zu·- Erfassung des Zustands am Strahlauftreffpunkt, deren Ausgangssignale zur Fokussierungsregelung herangezogen werden, dadurch gekenzeichn e t, daß mittels einer Elektrode ein Teil des vom Strahlauftreffpunkt rückgestreuten Elektronenflusses aufgefangen wird und der Fokussierungsstrom μ nachgeregelt wird, daß der Elektronenstrom bei einem Minimum Uegi.1. A method for controlling the focus of an electron beam directed by a beam generator system onto a metal workpiece to be welded, drilled, cut or melted, with a device for detecting the state at the point of impact of the beam, the output signals of which are used for controlling the focus, characterized in that an electrode part of the electron flow backscattered from the beam impact point is collected and the focusing current μ is readjusted so that the electron flow is at a minimum Uegi. 2. Verfarw η nach Anspruch 1. dadurch gezeichnet, daß man d.e Elektronen hoher Energie mittels der Elektrode einfängt, während thermische Elektronen und Ionen abgeschiuTn werden. 2. Verfarw η according to claim 1, characterized in that the high energy de electrons are captured by means of the electrode, while thermal electrons and ions are shed. 3. Anordnung zur Dur*, lführung des Verfahrens nach Anspruch 1. mit mindestens einem Elektronenstrahlerzeuger, einem dem erzeugten Elektronenstrahl ausgesetzten Werkstück und einer Strahlfokussierungseinrichtung. dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung einen mit dem Strahl (11) koaxialen leitenden Ring(l) umfaßt, der zwischen dem Werkstück Ί2) und der Fokussierungseinrichtung (10) angeordnet ist und sich in einem Polarisationsschaltl; eis befindet, der außerdem eine Einrichtung (7) für die Strommessung zu dem Ring sowie einen an sich bekannten, auf die Fokussierungseinrichtun«: zurückwirkenden Regler (9) umfaßt, daß mindestens eine Blende (5) um den Strahl herum zwischen der Fokussierungseinrichtung und dem Ring angeordnet ist und daß ein Gitter (3) mit der des Ringes entgegengesetzter Polarität zwischen dem Werkstück und dem Ring angeordnet ist (F ig. 1). *o3. Order to conduct the proceedings according to claim 1 with at least one electron gun, one generated Electron beam exposed workpiece and a beam focusing device. characterized, that the arrangement comprises a with the beam (11) coaxial conductive ring (l) which between the workpiece Ί2) and the focusing device (10) is arranged and is in a polarization switch; ice is located, the also a device (7) for current measurement to the ring and a known per se, on the focusing device «: retroactive controller (9) includes that at least a diaphragm (5) arranged around the beam between the focusing device and the ring is and that a grid (3) with that of the ring opposite polarity between the Workpiece and the ring is arranged (Fig. 1). *O 4. Anordnung für die Bearbeitung eine« Werkstücks mit dem Verfahren nach Anspruch \ mit mindestens einem Elektronenstrahlerzeuger für Elektronenstrahlbombardement de« Werkstücks, einer Fokussierungseinrichtung mit einer Konzentrierungsspule für den Strahl, einer Fangelektrode und mit einem Regler für die Fokussieruneseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangeinrichtung von einem zylindrischen an Masse (26) gelegten Gehäuse (21) gebildet ist, das an der Konzentrierungsspule (31) befestigt und konzentrisch zum Elektronenstrahl zentriert ist, daß das Gehäuse (21) an seiner Basis (23) mit einer zentralen öffnung sowie einer ringförmigen öffnung (24) konzentrisch zum Strahl und mit einer isolierenden Abdeckung (22) versehen ist, svelehe eine Zentralöffnung koaxial mit dem auftreffenden Elektronenstrahl aufweist, daß die beiden Zentralöffnungen durch ein Rohr (25) entsprechenden Durchmessers miteinander verbunden sind, daß ein Kreisring (27) eine erste Elektrode bildet, welche an der Abdeckung (22) gegenüber der ringförmigen öffnung (24) angeordnet ist, daß eine zweite bezüglich der Strahlachsc geiirigte Elektrode (35) sowie eine dritte parallel zur zweiten liegende und wie dieie gegen das Gehäuse isolierte Elektrode (38) zwischen sich einen Ringkanal ausbilden mit dem Elektronenstrahl als Achse und daß der Regler (28) mit der ersten Elektrode und mit der Fokussierungseinrichtung verbunden ist, während die zweite Elektrode (35) negativ und die dritte Elektrode (38) positiv vorgespannt und über Meßeinrichtungen an Masse gelegt sind (F i g. 5).4. Arrangement for processing a «workpiece with the method according to claim \ with at least one electron gun for electron beam bombardment of the workpiece, a focusing device with a concentrating coil for the beam, a targeting electrode and with a controller for the focusing device, characterized in that the catching device has a cylindrical mass (26) laid housing (21) is formed, which is attached to the concentrating coil (31) and concentric is centered on the electron beam that the housing (21) at its base (23) with a central opening and an annular opening (24) is concentric to the beam and provided with an insulating cover (22), svelehe has a central opening coaxial with the incident electron beam that the two Central openings connected to one another by a tube (25) of appropriate diameter are that a circular ring (27) forms a first electrode which is on the cover (22) opposite the annular opening (24) is arranged that a second with respect to the Strahlachsc Geiirigte electrode (35) and a third parallel to the second lying electrode (38), which is insulated from the housing like the one between them form a ring channel with the electron beam as the axis and that the controller (28) with the first electrode and is connected to the focusing device, while the second electrode (35) negative and the third electrode (38) positive and biased via measuring devices are connected to ground (Fig. 5). 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite (35) und die dritte Elektrode (?8) kegelstumpfförmig mit parallelen Mantelflächen ausgebildet sind, deren konische Mittelfläche in einer Spitze ausläuft, die koinzident ist mit dem Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf dem Werkstück.5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the second (35) and the third Electrode (? 8) are frustoconical with parallel lateral surfaces, the conical Central surface terminates in a point that is coincident is with the point of impact of the electron beam on the workpiece. 6. Anwendung der Anordnung nach Anspruch 4 oder 5 für die Regelung des Elektronenbombardements beim Schmelzen eines Schmelzbarrens unter AuirechterhaUung eines Schme't7_- sees im Abzug für das erschmolzene Metall mittels zeitweiser Ablenkung des Elektronenstrahls auf den Schmelzsee, dadurch gekennzeichnet, daß Fangeinrichtungen (62/63. 57/58) ■■ nrgesehen sind, deren erste (62/63) der bestrahlten Barrenspitze und deren zweite (57/58) dem Schmelzsee (53) zugekehrt ist. und daß die e-^te mit den rückgestreuten Elektronen von der Barrenspitze beaufschlagte Elektrode (63) der ersten Fangeinrichtung mit dem Regler verbunden ist sowie mit einer Vorschubsteuerung (64) für det. Barren (54), während die dritte mit F'ektronen niedriger Energie von dem Schmelzte beaufschlagte Elektrode (57) der zweiten Fangeinrichtung mit einer Ablenksteuereinriehum!: (61) verbunden ist (F ig. 11).6. Application of the arrangement according to claim 4 or 5 for the regulation of the electron bombardment when melting an ingot under the protection of a Schme't7_- sees in the deduction for the molten metal by means of temporary deflection of the electron beam on the Schmelzsee, characterized in that catching devices (62/63. 57/58) ■■ not seen are, the first (62/63) of the irradiated bar tip and the second (57/58) the Schmelzsee (53) is facing. and that the e- ^ te with the backscattered electrons from the Bar tip acted upon electrode (63) of the first catching device connected to the controller is as well as with a feed control (64) for det. Ingot (54), while the third with electron Electrode (57) of the second catching device charged with low energy by the melt with a diversion control unit !: (61) is connected (Fig. 11).