DE3505857C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und
Regelung der Brennpunktposition eines Elektronenstrahlbündels
einer Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung, wobei
- a) das Elektronenstrahlbündel von einer Elektronenkanone ausgestrahlt, von einer elektromagnetischen Kondensorlinse gesammelt und auf ein Werkstück (WK) gerichtet wird,
- b) ein vom Werkstück reemittiertes Elektronenstrahlbündel aufgefangen und dessen Intensität als Steuersignal gemessen wird, und
- c) das Steuersignal herangezogen wird, um den Strom der elektromagnetischen Kondensorlinse bei gleichzeitiger Verschiebung des Brennpunktes längs der Achse des Elektronenstrahlbündels so lange zu ändern, bis der Intensitätsverlauf des reemittierten Elektronenstrahlbündels ein Extremum und der Brennpunkt des Elektronenstrahlbündels auf dem Werkstück einen minimalen Durchmesser aufweist,
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind
aus der DE-AS 19 41 255 bekannt. Während der Durchführung
einer Schweißung bewirkt jede Änderung der Fokussierung
infolge einer Änderung des Abstandes der Schweißstelle
eine Änderung des vom Werkstück ausgehenden Stromes und
infolgedessen ein unmittelbares Ansprechen eines Reglers,
der seinerseits eine Änderung der Fokussierungseinstellung
bis zu einem neuen optimalen Wert hin bewirkt. Es
wird daher bei dem bekannten Verfahren und bei dieser
bekannten Vorrichtung während des Arbeitsvorganges mit
dem sogenannten Arbeits-Elektronenstrahl fokussiert.
Auch war es bisher üblich, das Fokussieren eines
Elektronenstrahlbündels durch Ausrichtung eines
Elektronenstrahlbündels auf einen sogenannten Attrappenblock
durchzuführen, um so vor dem eigentlichen Arbeitsgang
den Stromfluß durch eine elektromagnetische Kondensorlinse
zu regeln. Ein solches konventionelles Verfahren
weist den Nachteil auf, daß das Feststellen und
das Regeln des Elektronenstrahlbündels abhängig ist von
der Bedienungsperson, welche die Fokussierung anhand des
sogenannten Atrappenblockes durchführt.
In den Fig. 1A bis 3A sind Brennpunktpositionen von
Elektronenstrahlbündeln dargestellt, während die Fig. 1B
bis 3B entsprechende Profile von Schweißbereichen zeigen.
Wenn beispielsweise in den Fig. 1A und 1B ein Elektronenstrahlbündel
EB exakt auf der Oberfläche des Werkstückes
WK fokussiert ist, wird das Schweißen bis zu einer gewissen
Tiefe hin mit einem kleinen Durchmesser durchgeführt.
Wenn auf der anderen Seite der Brennpunkt innerhalb
des Werkstückes WK liegt, wie dies in den Fig. 2A
und 2B dargestellt ist, wird die Schweißtiefe kleiner als
in dem Falle, der in den Fig. 1A und 1B dargestellt ist,
wobei jedoch der Durchmesser entsprechend größer ist.
Wenn der Brennpunkt oberhalb der Werkstückoberfläche
liegt, wie dies in den Fig. 3A und 3B dargestellt ist,
wird das Schweißprofil ähnlich der Form und Gestalt eines
kurzen dicken Nagels. Solche Schweißprofile sind nachteilig.
Aus der JP-OS 48-339 ist eine Technik bekannt,
bei der Licht, welches durch ein Elektronenstrahlbündel
erzeugt wird und von der Oberfläche eines Werkstückes
reflektiert wird, durch eine Anzeigevorrichtung abgetastet
und zur Regelung der Fokussierung ausgenutzt wird.
Die Energie des für die Regelung verwendeten Elektronenstrahlbündels
ist sehr viel kleiner als die des Elektronenstrahlbündels,
welches zum Schmelzen des Werkstückes
benutzt wird. Somit ist es notwendig, daß die
Elektronenstrahl-Bündelenergie nach Beendigung der Regelung
erhöht werden muß. Hierbei ist es nachteilig, daß
eine mögliche Änderung der Fokussierungsposition bedingt
durch ein Ansteigen der Elektronenstrahlen-Bündelenergie
nicht berücksichtigt wird. Daher muß die Bedienungsperson
eine eventuelle Defokussierung ausgleichen.
Aus der Zeitschrift "IIW-Doc No. IV/57/71" wird in dem
Artikel "Automatisches Fokussieren beim Hochleistungselektronenstrahlbündelschweißen"
von Eggers eine Technik
beschrieben, in der Elektronen, die von einem Werkstück
reflektiert werden, dazu verwendet werden, um die
Position des Brennpunktes zu bestimmen, während die
Brennpunktsposition geändert wird. Hierzu sind ein Paar
von Elektronenkollektoren vorgesehen. Hierzu wird das
Schweißstrahlenbündel direkt herangezogen. Komplizierte
elektronische Schaltungen sind notwendig, um einen
unerwünschten Schweißzustand zu vermeiden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, mit
dessen bzw. deren Hilfe eine schnelle und präzise Einstellung
des Brennpunktes des Elektronenstrahlbündels
erfolgt, bevor das Elektronenstrahlbündel mit voller
Intensität auf das Werkstück gerichtet wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für das eingangs
genannte Verfahren dadurch gelöst, daß
- d) für die Ausrichtung des Brennpunktes des Elektronenstrahlbündels auf das Werkstück gemäß den Schritten a) bis c) in der Elektronenkanone für das Elektronenstrahlbündel eine erste Intensität eingestellt wird, die als Pilot-Intensität niedriger ist als die Betriebs-Intensität,
- e) der Strom durch die elektromagnetische Kondensorlinse gemäß Schritt c) linear geändert wird,
- f) mit dem Stromwert für das Extremum der Intensität des reemittierten Elektronenstrahlbündels und der Pilot-Intensität des Elektronenstrahlbündels als Korrektur-Parameter eine Korrekturdaten-Gruppierung aus einer Vielzahl von abgespeicherten Korrekturdaten- Gruppierungen ausgewählt wird, bei denen das Elektronenstrahlbündel auf dem Werkstück fokussiert ist, und
- g) anhand dieser Korrekturdaten-Gruppierung sowohl die Intensität des Elektronenstrahlbündels von der Pilot- Intensität auf die Betriebs-Intensität als auch entweder der Strom durch die elektromagnetische Kondensorlinse auf den Wert bei Konstanthalten der Werk stückposition gegenüber der Elektronenkanone oder der Abstand zwischen der Elektronenkanone und dem Werkstück auf den Abstand bei Konstanthalten des Stroms durch die elektromagnetische Kondensorlinse vergrößert wird.
Die Aufgabe wird darüber hinaus durch eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens mit
- a) einer Elektronenkanone zur Ausstrahlung eines Elektronenstrahlbündels,
- b) einer elektromagnetischen Kondensorlinse,
- c) einer Auffangelektrode, die zwischen der elektromagnetischen Kondensorlinse und einem Werkstück angeordnet ist, und
- d) einer Auswerteschaltung, die durch das durch die Auffangelektrode ermittelte Steuersignal beeinflußbar ist, um ein Extremum des Steuersignalverlaufs in Abhängigkeit vom Strom durch die elektromagnetische Kondensorlinse zu ermitteln, bei dem der Brennpunkt des Elektronenstrahlbündels sich auf der Werkstückoberfläche befindet, gelöst,
die gekennzeichnet ist durch:
- e) eine Speichereinrichtung zur Speicherung einer Vielzahl von Korrekturdaten-Gruppierungen, von denen jede Korrekturdaten-Gruppierung die Abhängigkeit der Intensität des Elektronenstrahlbündels der Elektronenkanone in Abhängigkeit vom Strom durch die elektromagnetische Kondensorlinse oder vom Abstand des Werkstücks von der Elektronenkanone bei Fokussierung des Elektronenstrahlbündels auf dem Werkstück aufzeigt, und
- g) eine Verarbeitungseinrichtung zur Steuerung der Position des Werkstückes oder des Stroms durch die elektromagnetische Kondensorlinse in Abhängigkeit von den Korrekturdaten-Gruppierungen sowie der Intenstität des Elektronenstrahlbündels der Elektronenkanone.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand von den
Figuren beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1A bis 3B Beziehungen zwischen Fokussierungspositionen
eines Elektronenstrahlenbündels
auf einem Werkstück und Schmelzteichprofile
eines Bereiches des geschweißten Werkstückes
mit Hilfe des Elektronenstrahlbündels,
Fig. 4 eine Blockschaltung für eine erste Ausführungsform,
Fig. 5 die Erzeugung von Sekundärelektronen und Röntgenstrahlen
auf der Werkstückoberfläche als Ergebnis
der Abstrahlung von dem Werkstück mit
dem Elektronenstrahlenbündel,
Fig. 6 ein Beispiel einer Spulenstromveränderung einer
elektromagnetischen Kondensorlinse aufgrund der
Fokussierungspositionsregelung,
Fig. 7 ein Beispiel der Änderung der Sekundärelektronenstrahlenbündelintensität,
Fig. 8 ein Beispiel der Beziehung zwischen dem Elektronenstrahlenbündelstrom
und dem Spulenstrom der elektromagnetischen
Kondensorlinse,
Fig. 9 ein Beispiel der Beziehung zwischen dem Elektronenstrahlenbündelstrom
und der Brennweite,
Fig. 10 ein Beispiel der Änderung der Röntgenstrahlenintensität,
Fig. 11 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 12 eine Elektronenauffangelektrode,
Fig. 13 eine graphische Darstellung der Beziehung des
Elektronenkollektorpotentials und der ermittelten
Strahlung eines Elektronenstrahlbündels
von dem Werkstück,
Fig. 14 eine graphische Darstellung der Energieverteilung
verschiedener Elektronen, welche von dem
Werkstück abgestrahlt oder ausgesendet werden,
Fig. 15 eine graphische Darstellung ähnlich
der von Fig. 7, für eine andere
örtliche Spitzenverteilung
und
Fig. 16 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Elektronenkollektors.
In den Fig. 4 und 5 ist ein Pilotelektronenstrahlenbündel
EB, welches von einer Elektronenkanone 10 ausgestrahlt
wird, auf ein Werkstück WK gerichtet. Im Weg des Elektronenstrahlenbündels
EB sind eine elektromagnetische
Kondensorlinse und eine Elektronen-Auffangelektrode
14 vorgesehen. Die elektromagnetische Kondensorlinse 12 besteht
aus einer Spule, durch die der Grad der Bündelung bzw.
des Sammelns des Elektronenstrahlenbündels EB im Wege der
Steuerung des Stromflusses durch die Spule geregelt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Strom in der Kondensorlinsenspule
zeitabhängig geändert, wie dies aus Fig. 6 zu
sehen ist. Die Stromänderung wird so eingestellt, daß
das Elektronenstrahlenbündel EB auf dem Werkstück WK
in einer Arbeitskammer (nicht dargestellt) fokussiert
wird, unabhängig von seiner Position in der Kammer. Die
Fokussierungspositionsregelung wird mittels eines Elektronenstrahlenbündels
aufgeführt, dessen Energie kleiner
ist als die zum Arbeiten notwendige, nämlich zur Durchführung
einer tatsächlichen Schweißoperation notwendige
Energie.
Eine Elektronen-Auffangelektrode 14 stellt das reflektierte
Elektronenstrahlenbündel fest. Ein Röntgenstrahlensensor
16 ist in der Nähe des Fokuspunktes des Elektronenstrahlenbündels
EB auf das Werkstück WK angeordnet,
um Röntgenstrahlen RX zu ermitteln, die von diesem abgestrahlt
werden. Wenn gewünscht, kann entweder die Elektronenauffangelektrode
14 oder der Röntgenstrahlsensor
16 weggelassen werden.
Eine Auffangelektroden-Leistungsquelle 18
ist zwischen der Elektronen-Auffangelektrode 14 und dem
Werkstück WK angeordnet. Die Auffangelektroden-Leistungsquelle
18 kann ein Potential auf die Elektronen-Auffangelektrode
14 übertragen, welches positiv oder negativ
in bezug auf das Potential des Werkstückes WK ist. Wenn
das Werkstück WK mit dem Elektronenstrahlenbündel EB bestrahlt
wird, werden von diesem ein reemittiertes Strahlenbündel
(RB) und Röntgenstrahlen (RX) erzeugt.
Das reemittierte Elektronenstrahlenbündel RB umfaßt reflektierte
Elektronen, sekundäre Elektronen und thermische
Elektronen. Die Energie dieser Elektronen stehen wie
folgt in Beziehung:
Reflektierte Elektronenenergie < Sekundäre Elektronenenergie
Reflektierte Elektronenenergie < Thermische Elektronenenergie
Reflektierte Elektronenenergie < Sekundäre Elektronenenergie
Reflektierte Elektronenenergie < Thermische Elektronenenergie
Wenn daher ein negatives Potential an die Elektronen-
Auffangelektrode 14 durch die Auffangelektroden-Leistungsquelle
18 angelegt wird, erreichen nur die reflektierten
Elektronen die Elektronen-Auffangelektrode 14, während,
wenn das Potential der Elektronen-Auffangelektrode 14 positiv
ist, Sekundärelektronen und thermische Elektronen
die Elektronen-Auffangelektrode 14 erreichen zusätzlich
zu den reflektierten Elektronen. Die Auffangelektrode 14
und/oder der Röntgenstrahlensensor 16 liefern elektrische
Signale, die kennzeichnend sind für die Gegenwart des
reemittierten Elektronenstrahlenbündels RB und des Röntgenstrahlenbündels
RX. Diese Signale ändern sich mit dem
Betrag der Versetzung des Fokussierungspunktes des Elektronenstrahlenbündels
EB.
Die Elektronen-Auffangelektrode 14 ist mit einer
Speichereinrichtung 20 zur Speicherung des Steuersignalverlaufs der Intensität
des reemittierten Elektronenstrahlbündels RB und dem Röntgenstrahlensensor
16 über einen Verstärker 22 mit der Speichereinrichtung
20 verbunden, die zeitweilig bzw. kurzzeitig
den Signalverlauf der ihr zugeführten Steuersignale speichert.
Der Verstärker 22 wird verwendet, um das Ausgangssignal
des Röntgenstrahlensensors 16 zu verstärken.
Der Ausgang der Speichereinrichtung 20 ist mit
einer als Verarbeitungseinrichtung verwendeten Computer-Verarbeitungseinheit 24 verbunden, die die
Signalverläufe der Steuersignale analysiert, welche in der
Speichereinrichtung gespeichert sind und welche ein Steuersignal
entsprechend Korrekturdaten (weiter unten beschrieben)
sowie ein Ergebnis der Analyse liefert.
Die Computer-Verarbeitungseinrichtung 24 ist mit einer Steuervorrichtung
26 verbunden, die ihrerseits mit der Elektronenkanone
10 und der Kondensorlinse 12 verbunden ist. Die
Elektronenkanone 10 und die Kondensorlinse 12 werden durch
Steuersignale gesteuert, die von der Computer-Verarbeitungseinheit
24 unter der Steuerung der Steuervorrichtung 26
abgeleitet werden.
Wenn die Fokusposition beim Betrieb festgestellt wird und
geregelt wird durch das reemittierte Elektronenstrahlenbündel
RB, wird die Elektronen-Auffangelektrode 14 als Detektor
verwendet. Das Elektronenstrahlenbündel EB wird mit
einer verringerten Energie auf das Werkstück WK gerichtet.
Sodann wird der Strom, der durch die Kondensorlinse 12
fließt, linear verstärkt wie in Fig. 6 gezeigt.
Eine Kurve A zeigt in Fig. 7 die Intensität des reemittierten
Elektronenstrahlenbündels RB, d. h. die Größe des Ausgangssignals
der Elektronen-Auffangelektrode 14, wenn der Strom
in der Kondensorlinse 12 gemäß Fig. 6 vergrößert wird,
wobei das Potential der Auffangelektrode 14 in bezug auf
das Werkstück WK positiv ist, und eine Kurve B zeigt das
gleiche bei negativem Potential.
Wie bereits zuvor beschrieben werden alle reflektierten
Elektronen, Sekundärelektronen und thermische Elektronen
durch die Elektronen-Auffangelektrode 14 empfangen, wenn
ihr Potential positiv ist. Wenn in diesem Falle das Strahlenbündel
RB auf der Oberfläche des Werkstückes WK fokussiert
ist, und der Kondensorlinsen-Spulenstrom linear verstärkt
wird, nimmt die Temperatur des letzteren zu; desgleichen
nimmt der Wert der thermischen Elektronenerzeugung
zu. Somit nimmt die reemittiere Elektronenstrahlenbündel-
Intensität lokal zu, wie dies durch die Kurve A in Fig. 7
gezeigt ist. Der Wert i des Kondensorlinsenstromes im Zeitpunkt
t, in dem die Spitzenintensität erhalten wird, entspricht
der fokussierten Position wie in Fig. 6 gezeigt.
Wenn das Potential der Elektronen-Auffangelektrode 14 negativ
ist, erreichen nur reflektierte Elektronen die Elektronen-
Auffangelektrode 14. In diesem Falle nimmt der Durchmesser
des Elektronenbrennfleckes auf der Oberfläche
des Werkstückes WK ab bei Zunahme des Kondensorlinsen-
Spulenstromes und wird ein Minimum im Zeitpunkt t, wobei
er bei weiter ansteigendem Strom abnimmt. Das bedeutet, daß
das Elektronenstrahlenbündel EB auf der Werkstückoberfläche
fokussiert wird, auf der die Strahlenbündeldichte groß
genug wird, um den fokussierten Bereich der Oberfläche zu
schmelzen und zu verdampfen. Hierbei wird der tatsächliche
Oberflächenpegel des Bereiches abgesenkt, welcher bewirkt,
daß die Strahlungsintensität örtlich reduziert
wird, wie dies durch die Kurve B in Fig. 7 gezeigt ist.
Der Strom i, der durch die Kondensorlinse 12 im Zeitpunkt
t der lokalen Reduzierung der reemittierten Elektronenstrahlenbündelstärke
in Fig. 6 fließt, entspricht der Fokusposition.
Die Ausgangssignalverläufe der an der Elektronenauffangelektrode
14 auftretenden Steuersignale dargestellt durch die Kurven A und B in Fig. 7, werden
kurzzeitig in der Speichereinrichtung 20 gespeichert.
Die Computer-Verarbeitungseinheit 24 speichert Korrekturkurven,
von denen eine in Fig. 8 dargestellt ist, und
Korrekturkurven, von denen eine in Fig. 9 dargestellt
ist und liefert ein Steuersignal in Übereinstimmung
mit den Daten, die von diesen Korrekturkurven erhalten
wurden, welches zur Steuervorrichtung 26 gesendet wird.
In dem Fall, wo die Steuerung auf der Basis der Korrekturdaten
ausgeführt wird, die gemäß Fig. 8 erhalten wurden,
welche eine Kurve aus einem Satz von Kurven ist,
von denen jede den Spulenstrom der Kondensorlinse 12
für eine feste Fokusposition anzeigt, während der Elektronenstrahlenbündelstrom
geändert wird, umfassen die Daten
eine Vielzahl von Korrekturkurven, von denen jede für
unterschiedliche Abstände (Arbeitsabstände) zwischen der
Kondensorlinse 12 und dem Werkstück WK gilt.
In der Computer-Verarbeitungseinheit 24 wird die Zeit erhalten,
bei der die Wellenformen, die in der
Speichereinheit 20 gespeichert sind, einen lokalen Wert
(Fig. 7) zeigen. Sodann wird der Strom der Kondensorlinsenspule
entsprechend der Zeit t aus Fig. 6 erhalten. Danach
wird eine der Korrekturkurven entsprechend einem spezifischen
Arbeitsabstand in der Verarbeitungseinheit 24
ausgewählt. Wenn z. B. der Strom der Kondensorlinsenspule,
der in der Verarbeitungseinheit 24 erhalten wird, IC1 ist
und der Elektronenstrahlenbündelstrom IE1 ist, ist die
auszuwählende Korrekturkurve so wie in Fig. 8 dargestellt.
Das bedeutet, daß die Korrekturkurve entsprechend einem
spezifischen ausgewählten Arbeitsabstand eine solche ist,
die durch einen Schnittpunkt des Stroms der Kondensorlinsenspule
und des Elektronenstrahlenbündelstromes IE1 läuft.
Unter Verwendung der Korrekturkurve, die wie oben beschrieben
ausgewählt wurde, kann der Strom IC2 der Kondensorlinse
12 entsprechend dem Arbeitsstrom IE2 des Elektronenstrahlenbündels
EB gemäß Fig. 8 erhalten werden. Entsprechend
diesen Datenwerten wird ein Steuersignal erzeugt
und zur Steuereinrichtung 26 gesendet, die die
Elektronenkanone 10 und die Kondensorlinse 12 steuert,
so daß der Elektronenstrahlenbündelstrom auf IE2 gesetzt
wird und der Strom der Kondensorlinse 12 erneut auf IC2
geregelt wird.
Wenn die Steuerung auf der Basis der Korrekturdaten gemäß
Fig. 9 durchgeführt werden soll, welche eine
Kurve unter einem Satz von Kurven ist, die die Beziehung
der Brennweite zum Elektronenstrahlenbündelstrom anzeigen,
bestimmt die als Verarbeitungseinrichtung verwendete Verarbeitungseinheit 24 den Strom
der Spule der Kondensorlinse 12, wenn der
Brennpunkt in der gleichen Weise wie zuvor erwähnt geregelt
wird. Sodann wird die Korrekturkurve gemäß Fig. 9
ausgewählt entsprechend dem Stromwert der Spule der Kondensorlinse
12. Wenn unter diesem Blickwinkel der Elektronenstrahlenbündelstrom
während der Fokusregelungsoperation
den Wert IE3 aufweist, ist die Position des Werkstückes WK und
somit die Brennweite während der Fokusregelungsoperation
LW1. Von diesem kann die Brennweite LF2 entsprechend dem
Elektronenstrahlenbündel-Arbeitsstrom IE4 während der Bearbeitungsoperationen
erhalten werden. Das Steuersignal
wird als Ergebnis dieser Datenwerte d. h. LF1,
LF2, IE4 vorbereitet und zur Steuervorrichtung 26 gesandt. Die Steuervorrichtung
26 steuert auf das Steuersignal hin die Elektronenkanone
10 und einen Tisch (nicht dargestellt), auf
dem das Werkstück WK befestigt ist. Das bedeutet, daß die
Steuervorrichtung 26 die Elektronenkanone 10 steuert, so
daß der Elektronenstrahlenbündelstrom den Wert IE4 annimmt und den
Tisch steuert, so daß die Brennweite von LF1 auf LF2 geändert
wird.
Wie aus dem vorhergehenden ersichtlich ist, wenn die
Korrekturdaten aus den Korrekturkurven gemäß Fig. 8 erhalten
werden, wird der Strom der Spule der Kondensorlinse
12 geregelt, während die Position des Werkstückes
WK unverändert ist. Wenn im Gegenteil hierzu die Korrekturdaten
aus den Korrekturkurven gemäß Fig. 9 erhalten
werden, wird die Position des Werkstückes WK geregelt,
während der Strom der Spule der Kondensorlinse 12 unverändert
ist.
In einem Fall, wo die Bestimmung und Regelung der Fokusposition
mit Röntgenstrahlen (RX) ausgeführt wird, wird
der Röntgenstrahlensensor 16 verwendet. In diesem Falle
wird das Werkstück WK mit einem Elektronenstrahlenbündel
bestrahlt, wie im vorhergehenden Fall. Dann wird der
Strom der Spule der Kondensorlinse 12 geändert, wie aus
Fig. 6 zu sehen ist. Die resultierende Änderung der Röntgenstrahlenintensität,
d. h. das Ausgangssignal des Röntgenstrahlensensors
16 ist in Fig. 10 dargestellt, was
der Kurve B in Fig. 7 entspricht, wenn die Elektronenauffangelektrode
14 auf negativem Potential liegt. Das bedeutet,
wenn das Elektronenstrahlenbündel EB auf die Oberfläche
des Werkstückes WK fokussiert ist, wird die Elektronenstrahlenbündeldichte
erhöht und ein winziger Bereich
desselben wird geschmolzen und verdampft mit der Wirkung,
daß der tatsächliche Oberflächenpegel dieses Bereiches des
Werkstückes WK abgesenkt wird. Somit wird die Intensität
der Röntgenstrahlen von dem Werkstück örtlich verringert.
Das in Fig. 10 gezeigte Signal wird durch den Verstärker 22
verstärkt und in der Speichereinrichtung 20
gespeichert. Die folgenden Operationen sind die gleichen
wie die im Zusammenhang mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
beschriebenen.
In einigen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
wird die Brennpunktregelung durch Bestrahlung des Werkstückes
direkt mit einem Elektronenstrahlenbündel ausgeführt.
Jedoch ist es auch möglich, ein geeignetes Teil zu verwenden,
das auf dem Werkstück positioniert ist, um es
mit einem Elektronenstrahlenbündel zu bestrahlen. Der letztere
Fall ist geeignet, wenn kleine
Defekte oder Fehlstellen auf der Werkstückoberfläche vermieden
werden sollen.
Es ist möglich, die Fokusposition
exakt zu bestimmen und sie mit hoher Präzision zu regeln,
unabhängig von der Fähigkeit der Bedienungsperson. Da
außerdem die Änderung der Fokusposition resultierend aus
der Differenz im Strahlenbündelstrom zwischen der Fokusbestimmungsperiode
und der tatsächlichen Arbeitsperiode
auf der Basis der vorläufig bzw. eingangs erhaltenen
Korrekturdaten korrigiert wird, wird die Zeitperiode, die
zur Regelung der Fokusposition erforderlich ist, verkürzt.
Es ist möglich, die Fokuspositionsregelung automatisch
auszuführen.
Fig. 11 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel,
welches sich vom Ausführungsbeispiel
nach Fig. 4 dadurch unterscheidet, daß die Stromwellenform
der Kondensorlinse 12 und die Ausgangswellenform der
Elektronenauffangelektrode 14 kurzzeitig in der
Speichervorrichtung 20 gespeichert werden, wobei es
keine Steuervorrichtung 26 gibt und wobei die Elektronenauffangelektrode
14 aus einem Paar von koaxial angeordneten
Gliedern A und B gebildet ist, wie aus Fig. 12 ersichtlich
ist. Eine Leistungsquelle 18, die zwischen den
koaxialen Teilen A und B und dem Werkstück WK vorgesehen
ist, liefert zwischen ihnen eine Potentialdifferenz.
Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen dem Potential der
Elektronenauffangelektrode 14 und der Intensität des hierdurch ermittelten
Elektronenstrahlenbündels RB,
in dem die Elektronenintensität abrupt um den Nullpunkt
des Potentials herum geändert wird. Die letztgenannte
Änderung hängt von der Energieverteilung der drei
Elektronenstrahlenbündel ab, wie aus Fig. 14 zu sehen ist.
In Fig. 14 entsprechen die Energieverteilungen A, B und
C jeweils den thermischen Elektronen, Sekundärelektronen
und reflektierten Elektronen. Wie ohne weiteres hieraus
verständlich ist, erreichen nur die reflektierten Hochenergieelektronen
des abgestrahlten Elektronenstrahlenbündels
EB eines der Teile der Auffangelektrode 14, an
die negatives Potential angelegt ist. Das andere Teil,
an das ein positives Potential angelegt ist, empfängt
Sekundärelektronen und thermische Elektronen, welche niedrige
Energie aufweisen. Die Elektronenauffangelektrode
14 liefert ein elektrisches Signal, welches diesen Verhältnissen
entspricht. Daher ändert sich das Ausgangssignal
der Elektronenauffangelektrode 14 mit dem Fokussierungszustand
des Elektronenstrahlenbündels EB.
Im Betrieb wird das Elektronenstrahlenbündel EB auf das
Werkstück WK ausgerichtet. Dann wird der Strom der Spule
der Kondensorlinse 12 erhöht, wie in Fig. 6 dargestellt.
In diesem Falle nimmt der Brennfleckdurchmesser
des Elektronenstrahlenbündels EB auf dem Werkstück WK
mit der Zeit auf einen Minimumwert ab, bei dem das
Strahlenbündel EB auf der Oberfläche fokussiert ist und
nimmt dann zu. In der Zeit, in der der Brennfleckdurchmesser
des Strahlenbündels EB ein Minimum wird,
wird der Bereich der Werkstückoberfläche, auf den das
Strahlenbündel fällt, geschmolzen und verdampft. Das
Ausgangssignal der Elektronenauffangelektrode 14 wird so
wie in Fig. 7 dargestellt.
Wenn der Stromwert des Elektronenstrahlenbündels EB für
die Fokussierungsbestimung klein ist, ist die Menge
des Werkstückbereiches, welcher geschmolzen und verdampft
wird, hierdurch klein. Außerdem ist die Änderung des Signales,
das durch das reflektierte Elektronenstrahlenbündel
erzeugt wurde, klein. Somit wird es schwierig,
das Fokussieren durch den Spitzenwert der Kurve B von
Fig. 7 zu bestimmen. Wenn darüber hinaus das Strahlenbündel,
welches durch die thermischen Elektronen verursacht
ist, verbreitert wird, ist es schwierig, die Fokussierung
exakt zu bestimmen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden die Ausgangssignale
der Teile der Elektronenauffangelektrode 14 in
der Speichervorrichtung 20 zusammen mit der
Stromkurve der Spule der Kondensorlinse 12 gespeichert.
Die Computer-Verarbeitungseinheit 24 verarbeitet diese
gespeicherten Daten, um den Kondensorlinsenspulenstromwert
zu bestimmen, bei dem das Elektronenstrahlenbündel
EB auf dem Werkstück WK fokussiert wird. Diese Anordnung
ist außerdem wirksam, wenn die Spitzen in der Wellenform
nicht einfach sind, wie in Fig. 7 gezeigt, d. h. relativ
komplex so wie in Fig. 15 gezeigt ist.
Die Elektronenauffangelektrode 14 ist in Fig. 12 gezeigt.
Sie setzt sich zusammen aus zwei koaxial angeordneten
Teilen A und B. Als Alternative können die Teile der
koaxialen Teile drei oder mehr sein, und zwar mit unterschiedlichen
an diese anzulegenden Potentialen. Alternativ
kann die Elektronenauffangelektrode 14 die Form
einer Vielzahl von Sektoren aufweisen, wie aus Fig. 16
zu sehen ist. Mit dieser Elektronenauffangelektrode können
unterschiedliche Arten von Elektronen, die von dem
Werkstück abgestrahlt werden, getrennt aufgefangen werden.
Der Strom der Spule der Kondensorlinse 12 kann gegenüber der Darstellung von Fig. 6 unterschiedlich verringert
werden
und zwar solange, wie dies linear geschieht.
Claims (10)
1. Verfahren zur Bestimmung und Regelung der Brennpunktposition
eines Elektronenstrahlbündels einer
Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung, wobei
- a) das Elektronenstrahlbündel von einer Elektronenkanone (10) ausgestrahlt, von einer elektromagnetischen Kondensorlinse (12) gesammelt und auf ein Werkstück (WK) gerichtet wird,
- b) ein vom Werkstück reemittierendes Elektronenstrahlbündel (RB) aufgefangen und dessen Intensität als Steuersignal gemessen wird, und
- c) das Steuersignal herangezogen wird, um den Strom der elektromagnetischen Kondensorlinse (12) bei gleichzeitiger Verschiebung des Brennpunktes längs der Achse des Elektronenstrahlbündels so lange zu ändern, bis der Intensitätsverlauf des reemittierten Elektronenstrahlbündels (RB) ein Extremum und der Brennpunkt des Elektronenstrahlbündels (EB) auf dem Werkstück einen minimalen Durchmesser aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- d) für die Ausrichtung des Brennpunktes des Elektronenstrahlbündels (EB) auf das Werkstück (WK) gemäß den Schritten a) bis c) in der Elektronenkanone (10) für das Elektronenstrahlbündel eine erste Intensität (IE1 bzw. IE3) eingestellt wird, die als Pilot-Intensität niedriger ist als die Betriebs-Intensität (IE2 bzw. IE4),
- e) der Strom durch die elektromagnetische Kondensorlinse (12) gemäß Schritt c) linear geändert wird,
- f) mit dem Stromwert (IC1) für das Extremum der Intensität des reemittierten Elektronenstrahlbündels (RB) und der Pilot-Intensität (IE1 bzw. IE3) des Elektronenstrahlbündels (EB) als Korrektur- Parameter eine Korrekturdaten-Gruppierung aus einer Vielzahl von abgespeicherten Korrekturdaten- Gruppierungen ausgewählt wird, bei denen das Elektronenstrahlbündel (EB) auf dem Werkstück (WK) fokussiert ist, und
- g) anhand dieser Korrekturdaten-Gruppierung sowohl die Intensität des Elektronenstrahlbündels (EB) von der Pilot-Intensität (IE1 bzw. IE3) auf die Betriebs-Intensität (IE2 bzw. IE4) als auch entweder der Strom (IC1) durch die elektromagnetische Kondensorlinse (12) auf den Wert (IC2) bei Konstanthalten der Werkstückposition gegenüber der Elektronenkanone (10) oder der Abstand (LF1) zwischen der Elektronenkanone (10) und dem Werkstück (WK) auf den Abstand (LF2) bei Konstanthalten des Stroms durch die elektromagnetische Kondensorlinse (12) vergrößert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß gemäß
Schritt b) neben dem reemittierten Elektronenstrahlbündel
(RB) zusätzlich auf der Werkstückoberfläche
erzeugte Röntgenstrahlen (RX) aufgefangen und
als Steuersignale gemessen werden.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1 oder 2, mit
- a) einer Elektronenkanone (10) zur Ausstrahlung eines Elektronenstrahlbündels (EB),
- b) einer elektromagnetischen Kondensorlinse (12),
- c) einer Auffangelektrode (14), die zwischen der elektromagnetischen Kondensorlinse (12) und einem Werkstück (WK) angeordnet ist, und
- d) einer Auswerteschaltung, die durch das durch die Auffangelektrode (14) ermittelte Steuersignal beeinflußbar ist, um ein Extremum des Steuersignalverlaufs in Abhängigkeit vom Strom durch die elektromagnetische Kondensorlinse (12) zu ermitteln, bei dem der Brennpunkt des Elektronenstrahlbündels (EB) sich auf der Werkstückoberfläche (WK) befindet,
gekennzeichnet durch:
- e) eine Speichereinrichtung zur Speicherung einer Vielzahl von Korrekturdaten-Gruppierungen, von denen jede Korrekturdaten-Gruppierung die Abhängigkeit der Intensität des Elektronenstrahlbündels (EB) der Elektronenkanone (10) in Abhängigkeit vom Strom durch die elektromagnetische Kondensorlinse (12) oder vom Abstand des Werkstücks von der Elektronenkanone (10) bei Fokussierung des Elektronenstrahlbündels (EB) auf dem Werkstück (WK) aufzeigt, und
- g) eine Verarbeitungseinrichtung (24) zur Steuerung der Position des Werkstückes (WK) oder des Stroms durch die elektromagnetische Kondensorlinse (12) in Abhängigkeit von den Korrekturdaten-Gruppierungen sowie der Intensität des Elektronenstrahlbündels (EB) der Elektronenkanone (10).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Verarbeitungseinrichtung (24) auf eine Steuervorrichtung
(26) wirkt, die ausgangsseitig sowohl mit der
Elektronenkanone (18) als auch mit der elektromagnetischen
Kondensorlinse (12) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die
elektromagnetische Kondensorlinse (12) und die
Auffangelektrode (14) mit der Speichereinrichtung
(20) zur Speicherung der Wellenform verbunden ist
(Fig. 11).
6. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Auffangelektrode aus mehreren ringartigen Segmenten
(A; B) aufgebaut ist (Fig. 12).
7. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Auffangelektrode aus mehreren Sektoren (A, B, C und
D) aufgebaut ist (Fig. 16).
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die
koaxialen Segmente bzw. die einzelnen Sektoren der
Auffangelektrode an unterschiedliche Potentiale
angeschlossen sind, um die unterschiedlichen Arten
der reemittierten Elektronen getrennt zu erfassen.
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