DE1261971B - Einrichtung zum Schweissen, Schneiden oder zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungstraegerstrahls - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES W¥W PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

B23k

Deutsche Kl.: 21h-32/20

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Z9916VIIId/21h
14. Februar 1963
29. Februar 1968

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schweißen, Schneiden oder zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahls, bei welcher zwei hintereinander angeordnete elektronenoptische Linsen ein Bild einer Ladungsträgerquelle entwerfen.

Es ist bereits bekannt, daß man einen sehr intensiven Elektronenstrahl dazu benutzen kann, zwei metallische Werkstücke miteinander zu verschweißen, daß man ferner mit einem Elektronenstrahl auch metallische Werkstücke schneiden oder teilen kann und daß man schließlich mittels eines Elektronenstrahles auch Werkstoffe bohren oder fräsen kann, d. h. das betreffende Material bearbeiten kann.

Es ist ferner bekannt, einen für diese Zwecke geeigneten Elektronenstrahlbrennfleck dadurch herzustellen, daß man mittels einer elektronenoptischen Linse ein verkleinertes Bild einer Kathode oder einer Blende, durch welche ein Elektronenstrahl hindurchtritt, entwirft.

Ein durch eine solche verkleinernde elektronenoptische Linse erzeugter Elektronenstrahl ist jedoch für die eingangs genannten technischen Aufgaben noch nicht in allen Fällen ohne weiteres geeignet.

Zwischen der elektronenoptischen Linse, welche das erwähnte verkleinerte Bild der Elektronenquelle entwirft, und diesem Bild selbst besteht nämlich, wenn man nicht zu ungebührlich großen Abmessungen der Elektronenstrahlapparatur kommen will, nur ein Abstand von etwa 4 bis 6 cm. Wenn es sich um ein Werkstück mit einer genau oder einigermaßen ebenen Oberfläche handelt, so kann man zwar die zu bearbeitende Oberfläche ohne Schwierigkeit in die Ebene des erwähnten verkleinerten elektronenoptischen Bildes legen. Wenn es sich jedoch um ein Werkstück handelt, bei welchem die zu bearbeitende Oberfläche beispielsweise der Boden eines Bechers ist, und wenn der Becherrand höher als der erwähnte Abstand von 4 bis 6 cm ist, so kann man mit der erwähnten verkleinernden Linse aHein keinen scharfen Brennfleck auf dem Werkstück erzeugen.

Eine weitere Schwierigkeit, die bei Benutzung des erwähnten, durch elektronenoptische Verkleinerung erzeugten Strahlquerschnittes auftritt, liegt darin, daß in dem geringen Abstand zwischen der elektronenoptischen Linse und der Ebene des verkleinerten Bildes zwar noch ein elektromagnetisches Ablenksystem für die Bewegung des Elektronenstrahles zur Werkstückoberfläche angebracht werden kann, daß aber von dem Elektronenstrahl nur eine verhältnismäßig kleine Fläche auf dem Werkstück bestrichen werden kann, die nicht für alle Bearbeitungsaufgaben ausreicht. Es ist aber wünschenswert, den Elektronen-Einrichtung zum Schweißen, Schneiden
oder zur Materialbearbeitung mittels eines
Ladungsträgerstrahls

Anmelder:

United Aircraft Corporation,

East Hartford, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

8000 München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Fritz Schleich, 7083 Wasseralfingen - -

strahl gegenüber der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes auch mit der erwähnten elektromagnetischen Ablenkeinrichtung zu verstellen, da die mechanische Verschiebung des Werkstückes gegenüber dem ruhenden Elektronenstrahl nicht in allen Fällen mit der gewünschten Geschwindigkeit möglich ist bzw. in vielen Fällen zu technisch unbequemen Lösungen führt.

Bei einer bekannten elektronenoptischen Schweißeinrichtung ist das elektronenoptische System mit zwei elektromagnetischen Fokussierungslinsen versehen. Die erste Linse fokussiert den Elektronenstrahl so, daß sein Brennfleck in der Öffnung einer Blende liegt. Der von dieser Öffnung ausgehende Strahl wird mittels der zweiten Linse auf das Werkstück fokussiert. Der einzige Zweck dieser Einrichtung ist die Fernhaltung von Gasen vom Strahlerzeugungsraum. Beide Linsen bilden im Verhältnis 1:1 ab. Das bedeutet, daß bei dieser Einrichtung die vorher erwähnten Schwierigkeiten auftreten. Der Durchmesser des Brennflecks ist relativ groß, so daß keine sehr große Leistungsdichte erreicht werden kann. Ferner ist der Abstand zwischen der zweiten Linse und dem Werkstück relativ klein.

Aufgabe der Erfindung ist es, das elektronenoptische System der Einrichtung zum Schweißen, Schneiden oder zur Materialbearbeitung mit zwei elektromagnetischen Linsen so auszubilden, daß ein größerer Abstand zwischen der dem Werkstück

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Die Zeichnung läßt bereits erkennen, daß durch den Kunstgriff der Einfügung der Linse 7 zwischen die Linse 5 und das Werkstück nunmehr ein erheblich größerer freier Raum oberhalb des Werkstückes 5 geschaffen worden ist, während man nur einen sehr kleinen freien Raum zur Verfugung haben würde, wenn man das Werkstück in die Ebene der Lochblende 6 bringen würde.

Man kann also bei dieser Einrichtung auch noch

näheren Linse und dem Werkstück und ein kleinerer Brennfleck erreicht wird.

Durch Wahl einer geeigneten Brennweite für die weitere elektronenoptische Linse hat man es dann in der Hand, einen genügend großen Abstand zwischen der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche und der letzten elektronenoptischen Linse herzustellen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die erste elektronenoptische Linse ein verkleinertes Bild der

Ladungsträgerquelle entwirft und die zweite elektro- io solche Werkstücke bearbeiten, die in dem engen,

nenoptische Linse von diesem verkleinerten Bild ein zwischen der Linse 5 und der Ebene der Loch-

unvergrößertes oder schwach vergrößertes Bild auf blende 6 zur Verfugung stehenden Raum nicht mehr

dem Werkstück entwirft. Platz finden könnten.

Versuche haben gezeigt, daß man mit einer 15- Die dargestellte Ausführungsform der Erfindung bis 18fachen Verkleinerung der ersten elektronen- 15 zeigt auch noch eine weitere Verbesserung, welche

optischen Linse arbeiten kann und mit einer etwa sich auf die Ausgestaltung der elektromagnetischen

2,5fachen Vergrößerung der zweiten elektronen- Ablenkeinrichtung zwischen der Linse 7 und dem

optischen Linse. Der Abstand der Hauptebenen der Werkstück 8 bezieht.

beiden Linsen kann dann bei tragbaren Abmessungen Es war bereits oben erwähnt worden, daß es nicht für das ganze Gerät etwa 13 cm betragen, was einen 20 immer zweckmäßig oder möglich ist, das Werkstück 8 Abstand des Werkstückes von der schwach vergrö- innerhalb der an das Gehäuse 4 anschließenden Beßernden elektronenoptischen Linse von etwa 30 cm arbeitungskammer 9 gegenüber dem ruhenden Elekergibt. Dieser Raum oberhalb der Werkstückober- tronenstrahl 10 zu verschieben. Grundsätzlich ist es fläche ist vollkommen ausreichend, um auch eine zwar möglich, dieses Werkstück 8, welches mittels Bearbeitung von Werkstücken von der Form des 25 Backen 11 auf einem Tisch 12 gehaltert wird, in zwei obenerwähnten Bechers zu ermöglichen, und reicht beispielsweise senkrecht zueinander stehenden Koferner auch dazu aus, oberhalb des Werkstückes ein ordinaten gegenüber dem feststehenden Elektronenelektromagnetisches Ablenksystem unterzubringen, strahl 10 zu verlagern und dadurch den Elektronendas die Verstellung des Fußpunktes des Ladungs- strahl jeweils genau auf die zu bearbeitende Werkträgerstrahles über eine genügend große Fläche des 30 stückstelle zu lenken.

Werkstückes gestattet. Wenn aber beispielsweise innerhalb sehr kurzer An Hand der schematischen Zeichnung sei eine Zeit eine Reihe von Löchern in dem Werkstück 8 Ausführungsform der Erfindung erläutert, welche angebracht werden sollen, so ist es zweckmäßig, den gleichzeitig noch eine Verbesserung der erfmdungs- Elektronenstrahl 10 nach seinem Durchtritt durch gemäßen Einrichtung, erkennen läßt, die man an dem 35 die Linse 7 mittels einer elektromagnetischen AbAblenksystem anbringen kann, welches zwischen lenkeinrichtung zu verlagern.

dem Werkstück und der unvergrößert oder schwach Eine Ablenkeinrichtung, welche eine Verbesserung vergrößert abbildenden Linse liegt. Alle für die Er- des beschriebenen Gerätes darstellt, sei in ihrem findung nicht wesentlichen Bestandteile des Elektro- Aufbau und in ihrer Wirkungsweise im folgenden an nenstrahlgerätes, wie z. B. Justiervorrichtungen für 40 Hand der Zeichnung für den speziellen Fall erläutert, den Strahl, sind in der Zeichnung fortgelassen. daß in dem Werkstück 8 im Anschluß an ein Loch In der Zeichnung ist mit 1 eine Kathode, mit 2 ein an der Stelle der strichpunktierten Linie 13, welches Steuerzylinder und mit 3 eine geerdete Anode eines sich in der Mitte des Werkstückes befinden möge, Elektronenstrahlerzeugungssystems bezeichnet. noch ein weiteres Loch an der Stelle der strichpunk-Das Tastverhältnis der Steuerimpulse kann bei- 45 tierten Linie 14 und ein drittes Loch an der Stelle spielsweise 1: 2 betragen, d. h., die Impulsdauer und der strichpunktierten Linie 15 hergestellt werden soll, die Impulspause sind gleich lang. Die Dauer eines Das Loch 13 läßt sich durch den Elektronenstrahl einzelnen Elektronenstrahlimpulses wird dabei etwa 10 in der Mitte des Werkstückes 8 ohne weiteres in zu 10~³ Sekunden gewählt. . an sich bekannter Weise herstellen. Zur Herstellung Unterhalb der Anode 3 befindet sich in dem Ge- 50 des nächsten Loches der gewünschten Lochreihe, häuse 4 des Elektronenstrahlgerätes eine elektronen- also des Loches an der Stelle der strichpunktierten optische Linse, welche aus einer mit Gleichstrom Linie 14, wird mittels einer aus vier Spulen bestehengespeisten Spule 5 besteht und welche in der Ebene den, an sich bekannten Ablenkeinrichtung 16 der einer Lochblende 6 ein verkleinertes Bild der Elek- Elektronenstrahl 10 so abgelenkt, wie es durch die tronenquelle entwirft, die man entweder in der 55 punktierte Linie 10 α angedeutet ist, und sodann in Kathodenoberfläche oder in der von Elektronen- einer weiteren, ebenfalls aus vier Spulen bestehenden strahlen erfüllten Mittelöffnung der Anode 3 sehen elektromagnetischen Ablenkeinrichtung 17, die sich kann. Dieses verkleinerte Bild in der Ebene der unterhalb der Ablenkeinrichtung 16 befindet, noch-Lochblende 6 wird nun durch eine weitere, aus einer mais abgelenkt, so daß er wieder parallel zur Richgleichstromgespeisten Spule 7 bestehenden elektro- 60 tung des ursprünglichen Strahls 10 verläuft. Die an nenoptischen Linse in die Ebene des zu bearbeiten- der Stelle der strichpunktierten Linie 14 erzeugte den Werkstückes 8 abgebildet. Bei den dargestellten Bohrung kann also dann genau parallel zu der Boh-Abständen zwischen der Lochblende 6 und der rung 13 hergestellt werden. Die Bohrung 15 kann Spule 7 einerseits und der Spule 7 und dem Werk- nun dadurch hergestellt werden, daß man in der Abstück 8 andererseits ist die Größe des elektronen- 65 lenkeinrichtung 16 den Strahl noch etwas stärker als optischen Bildes in der Ebene der Lochblende 6 und für die Herstellung der Bohrung 14 ablenkt und in auf der Oberfläche des Werkstückes 8 etwa gleich der Ablenkeinrichtung 17 eine solche Stromstärke groß. einstellt, daß an der Stelle der strichpunktierten Linie

15 der Strahl wieder senkrecht zur Werkstückoberfläche, d. h. parallel zur Richtung des ursprünglichen Strahls 10 auftrifft.

Eine weitere Verbesserung ergibt sich aus der folgenden Überlegung.

Für jede elektronenoptische Abbildung eines parallelen Strahlenbündels in einen Punkt kann man eine Größe J r definieren, die durch die Gleichung

Ar = C₀- *3

gegeben ist. Die Größe Ar ist der Radius des optischen Bildes des parallelen Strahlenbündels, und der Winkel α ist der sogenannte Aperturwinkel oder Öffnungswinkel, nämlich der halbe Öffnungswinkel desjenigen Strahlenkegels, dessen Basiskreis in der Bohrung der elektronenoptischen Linse liegt und dessen Spitze an der Stelle des Brennfleckes liegt. Die Größe C₀ nennt man die Öffnungsfehlerkonstante.

Da die Forderung nach einem kleinen Brennfleck einen kleineren Wert von Δ r und die Forderung nach großer Intensität einen großen Wert von α vorschreibt, muß also offenbar die Öffnungsfehlerkonstante C_ü möglichst klein werden.

Nun ist es an sich bekannt, daß bei elektronenoptischen Linsen die Größe C₀ dividiert durch den sogenannten Arbeitsabstand, d. h. durch den Abstand zwischen der elektronenoptischen Linse und der Ebene der scharfen optischen Abbildung in Abhängigkeit von einer charakteristischen Linsenkenngröße k² ein Minimum hat. Für die Größe k gilt die Beziehung

k = c(Ni),

wobei c eine vom Verhältnis von Bohrungsdurchmesser und Schlitzbreite der elektronenoptischen Linse abhängige Konstante ist, M die Amperewindungszahl und U die Beschleunigungsspannung der Elektronen.

Bei der vorliegenden Aufgabenstellung ist der Arbeitsabstand A durch die weiter vorn dargelegten Gesichtspunkte vorgegeben, und daraus entsteht für die durch die Erfindung vorgeschlagene weitere elektronenoptische Linse die Erkenntnis, daß im Minimalpunkt des genannten Verhältnisses von Öffnungsfehlerkonstante und Arbeitsabstand gearbeitet werden muß, wenn man einen zum Schweißen, Schneiden oder zur Materialbearbeitung geeigneten Brennfleck, d. h. einen Brennfleck erzeugen will, der sowohl klein als auch sehr intensiv ist.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Schweißen, Schneiden oder zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahles, bei welcher zwei hintereinander angeordnete elektronenoptische Linsen ein Bild einer Ladungsträgerquelle entwerfen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektronenoptische Linse (5) ein verkleinertes Bild der Ladungsträgerquelle (1) entwirft und die zweite elektronenoptische Linse (7) von diesem verkleinerten Bild ein unvergrößertes oder schwach vergrößertes Bild auf dem Werkstück (8) entwirft.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise zwischen der unvergrößert oder schwach vergrößert abbildenden elektronenoptischen Linse (7) und dem Werkstück (8) eine erste Strahlablenkungseinrichtung (16) und in einer dem Werkstück näher gelegenen Ebene eine zweite Strahlablenkungseinrichtung (17) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektronenoptische Linse (7) im Minimum des Verhältnisses von Öffnungsfehlerkonstante zum Arbeitsabstand in Abhängigkeit von der Linsenkenngröße k arbeitet, wobei die Größe h durch die Beziehung

gegeben ist und c eine vom Verhältnis von Bohrungsdurchmesser und Schlitzbreite der Linse abhängige Konstante ist, Ni die Amperewindungszahl und U die Beschleunigungsspannung der Elektronen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1125 096;
»Welding Journal«, August 1960, S. 791 bis 796.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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