DE2829784C2

DE2829784C2 - Gerät zur Materialbearbeitung mittels eines durch ein Störmagnetfeld verlaufenden Ladungsträgerstrahles

Info

Publication number: DE2829784C2
Application number: DE2829784A
Authority: DE
Inventors: Karl Dr. Dipl.-Phys. 8130 Starnberg Heinz; Dieter Dr. Dipl.-Phys. 8000 München König; Clauspeter Dipl.-Phys. 8082 Grafrath Mönch; Wilhelm Dr. Dipl.-Phys. 8031 Puchheim Scheffels
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1977-07-06
Filing date: 1978-07-06
Publication date: 1987-01-15
Also published as: DE2829784A1; JPS5519718B2; US4223200A; FR2396619A1; IT7850193A0; JPS5417598A; GB1595203A; FR2396619B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Beim Schweißen oder anderen Bearbeitungsprozessen mit einem Ladungsträgerstrahl, insbesondere einem Elektronenstrahl, gibt es oft Anwendungsfälle, bei denen der Strahl durch ein Störmagnetfeld, das eine senkrecht zum Strahlweg verlaufende Komponente hat, in unerwünschter Weise abgelenkt wird. Die unerwünschte Ablenkung kann zur Folge haben, daß der Strahl nicht mehr an einer Sollposition (z. B. Schweißfugenmitte) auf das Werkstück auftrifft und/oder daß seine Orientierung bezüglich des Werkstücks so geändert wird, daß sich Fehler in der Qualität des Bearbeitungsergebnisses einstellen. Die Änderung der Orientierung des Strahles ist insbesondere beim Schweißen von Werkstücken größerer Dicke sehr unerwünscht und kann auch nicht durch eine normale Nahtfolgeeinrichtung, die den Auftreffbereich des Strahles an der dem Strahlerzeugungssystem zugewandten Seite des Werkstücks in der Schweißfugenmitte hält, kompensiert werden.
Die den Strahl beeinflussenden Störmagnetfelder können z. B. von einem remanenten Magnetismus des Werkstückes oder diesem benachbarter ferromagnetischer Bauteile herrühren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Materialbearbeitung anzugeben, das auch dann einwandfrei arbeitet, wenn der auf das Werkstück gerichtete Strahl längs seines Weges durch ein Störmagnetfeld verläuft.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gerät zur Materialbearbeitung gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß seitlich des Strahlweges mindestens eine Magentfeldmeßeinrichtung angeordnet ist, die auf mindestens eine senkrecht zum Strahlweg verlaufende Komponente des Störmagnetfeldes anspricht, und daß ein der Stärke und Richtung der gemessenen Störmagnetfeldkomponente entsprechendes Ausgangssignal der Magnetfeldmeßeinrichtung einer Kompensationseinrichtung zum weitestgehenden Kompensieren der gemessenen Magnetfeldkomponente zugeführt ist.
Vorzugsweise wird das Störmagnetfeld an zwei verschiedenen Stellen längs des Strahlweges gemessen und kompensiert, von denen die eine Stelle möglichst nahe bei der Werkstücksoberfläche liegt.
Die Magnetfeldmeßeinrichtung und die Kompensationseinrichtungen sind ferner vorzugsweise so ausgebildet, daß zwei im Winkel zueinander, also z. B. senkrecht aufeinander stehende Komponenten des Störmagnetfeldes in einer senkrecht zum Strahlweg verlaufenden Ebene gemessen und kompensiert werden, so daß Störmagnetfelder beliebiger Richtung, die den Strahl aus dem vorgesehenen Strahlweg abzulenken vermögen, kompensiert werden können.
Durch das erfindungsgemäße Gerät lassen sich einwandfreie Bearbeitungsergebnisse auch dann erzielen, wenn der Strahlweg durch ein Störmagnetfeld verläuft. Die Erfindung läßt sich bei Ladungsträgerstrahlgeräten für die verschiedensten Arten der Materialbearbeitung verwenden, z. B. bei Geräten zum Schweißen, Bohren, Gravieren, Fräsen und dergleichen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer Magnetfeldmeßeinrichtung und Kompensationseinrichtung für ein Gerät der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Art.
Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel von Elektronenstrahlschweißgeräten beschrieben, sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt und läßt sich, wie oben erwähnt, auch bei anderen Bearbeitungsarten und auch bei Ionenstrahlgeräten verwenden.
Das in Fig. 1 dargestellte Gerät enthält zwei Magnetfeldmeßvorrichtungen 10, 30, die z. B. aus Hall-Sonden bestehen können. Statt Hall-Sonden kann man selbstverständlich auch andere Magnetfeldmeßeinrichtungen verwenden, z. B. Förster- Sonden und dgl. Die Magnetfeldmeßvorrichtungen 10, 30 sind im Abstand längs des Strahlweges voneinander möglichst nahe am Weg des Elektronenstrahls 40 so angeordnet, daß sie eine zum Strahlweg senkrechte Störmagnetfeldkomponente erfassen, die so gerichtet ist, daß sie den Elektronenstrahl 40 senkrecht zu einer zu verschweißenden Stoßfuge 50 zwischen zwei plattenförmigen Werkstückteilen 60 und 70 abzulenken strebt. Die eine Magnetfeldmeßeinrichtung 30 soll sich so dicht wie möglich über der Werkstückoberfläche befinden, die zweite Magnetfeldmeßeinrichtung kann in einem Abstand bis zu mehreren Dezimetern von der ersten angeordnet sein.
Die Magnetfeldmeßvorrichtungen 10 und 30 liefern ein dem Betrag und der Richtung der erfaßten (zur Stoßfuge 50 parallelen) Magnetfeldkomponente entsprechendes Ausgangssignal. Den Magnetfeldmeßeinrichtungen sind jeweils zwei Magnetspulen 80, 80 bzw. 90, 90 zugeordnet. Die einer vorgegebenen Magnetfeldmeßeinrichtung zugeordneten Spulen liegen einander bezüglich des Strahlweges gegenüber und sind so miteinander elektrisch gekoppelt, daß sie im Bereich der Magnetfeldmeßeinrichtung und damit des Elektronenstrahls 40 ein Magnetfeld zu erzeugen vermögen, das der von der betreffenden Magnetfeldmeßeinrichtung 10 oder 30 erfaßten Komponente des Störmagnetfeldes entgegengesetzt gleich ist.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung für eine Magnetfeldmeßeinrichtung und die zugehörigen Kompensationsspulen; dabei ist angenommen, daß die Magnetfeldmeßeinrichtungen aus Hall-Sonden bestehen.
Die Hall-Sonde 10 (oder 30) enthält, wie üblich, ein längliches Halbleiterplättchen, dessen schmale Kanten mit einer Quelle 100 für einen vorzugsweise einstellbaren Strom verbunden sind. Die langen Kanten sind mit Elektroden versehen, welche mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 102 gekoppelt sind, der ein dem Betrag und Vorzeichen der Größe und Richtung der die Hauptflächen des Hall-Plättchens senkrecht durchsetzenden Magnetfeldkomponente entsprechendes Ausgangssignal liefert. (Das Hall-Plättchen ist in Fig. 3 in die Zeichenebene gedreht gezeichnet, in Wirklichkeit weist die in Fig. 3 sichtbare Hauptfläche des Plättchens zum Elektronenstrahl 40, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.)
Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 102 wird über einen Leistungsverstärker 104 den Magnetspulen 80 (bzw. 90) mit solcher Polarität zugeführt, daß diese Spulen ein Kompensationsmagnetfeld (Fig. 1) erzeugen, welches der von der Magnetfeldmeßeinrichtung erfaßten Magnetfeldkomponente im wesentlichen entgegengesetzt gleich ist. Hierdurch wird die den Strahl aus seinem vorgeschriebenen Weg ablenkende Magnetfeldkomponente kompensiert und eine unerwünschte Strahlablenkung wird verhindert.
Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 1, die sich von ersterer lediglich darin unterscheidet, daß die Achsen der in der Nähe der Werkstückoberfläche angeordneten Kompensationsspulen 90&min; parallel zum Strahlweg 40 und nicht, wie die Achsen der Spulen 90 in Fig. 1 senkrecht zum Strahlweg verlaufen.
In den Fig. 1 und 2 sind zwei Magnetfeldmeßeinrichtungen und zwei zugehörige Spulenpaare dargestellt, was jedoch keine Einschränkung bedeuten soll. Im Prinzip können soviele Sonden und Spulenpaare benutzt werden, wie sich aus den Genauigkeitsanforderungen des jeweiligen Gerätes ergibt. Die Spulenachsen durchstoßen vorzugsweise die Sondenflächen in ihren Mittelpunkten. Die Sonden sind möglichst langgestreckt, um über einen möglichst großen Bereich des Weges des Ladungsträgerstrahles einen gemittelten Magnetfeldwert zu messen.
Die Magnetfeldsonden 10 und 30 sowie die zugehörigen Spulenpaare 80, 90 bzw. 90&min; haben eine feste Lage bezüglich des Strahlerzeugungssystems, können also z. B. mit diesem fest verbunden sein.
Die beschriebenen und dargestellten Einrichtungen können eine bestimmte, zum Strahlweg senkrechte Magnetfeldkomponente kompensieren. Wenn die Richtung dieser Komponente festliegt oder nur eine Strahlablenkung in einer bestimmten Ebene (z. B. quer zu einer Trennfuge) kompensiert werden soll, ist dies im allgemeinen ausreichend.
Wenn jedoch Störmagnetfelder beliebiger Richtung, die den Strahl abzulenken vermögen, kompensiert werden sollen, wird das Magnetfeld an jedem gewünschten Punkt des Strahlweges durch zwei Magnetfeldmeßeinrichtungen, die auf verschiedene, vorzugsweise zueinander senkrechte Komponenten des Störmagneten ansprechen, gemessen und durch zwei entsprechend angeordnete Kompensationsspulenanordnungen kompensiert. Im Falle der Fig. 1 und 2 werden dann also beispielsweise auf der Höhe der Magnetfeldmeßeinrichtung 10 und auf der Höhe der Magnetfeldmeßeinrichtung 30 jeweils eine weitere Magnetfeldmeßeinrichtung angeordnet, die die Magnetfeldkomponente mißt, die auf der von der Magnetfeldmeßeinrichtung 10 bzw. 30 gemessenen Komponente senkrecht steht, und die dabei erzeugten Ausgangssignale steuern entsprechende Spulenpaare, die gegenüber den Spulenpaaren 80 bzw. 90 oder 90&min; um 90° bezüglich des Strahlweges winkelmäßig versetzt sind. Die Fig. 1 und 2 sind also einfach durch ein zweites, um 90° gedrehtes Kompensationssystem ergänzt zu denken.
Für jede Magnetfeldmeßeinrichtung und die zugehörige Kompensationsspulenanordnung wird in diesem Falle eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 vorgesehen.
Eine Alternative zu der oben beschriebenen Möglichkeit besteht darin, die Kompensationsspulen um die Strahlachse schwenkbar zu lagern und eine Magnetfeldmeßeinrichtung zu verwenden, die ein der Orientierung und dem Betrag des Störmagnetfelds in der Schwenkebene der Spulen entsprechendes Signal liefert, das den Spulenstrom entsprechend dem Betrag des Magnetfeldes regelt und eine Schwenkeinrichtung steuert, die die Verbindungslinie der Spulen in Deckung mit der Richtung der zu kompensierenden Magnetfeldkomponente bringt.

Claims

1. Gerät zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahles, der längs eines durch ein Störmagnetfeld verlaufenden Strahlweges auf ein Werkstück gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich des Strahlweges eine auf das Störmagnetfeld ansprechende Magnetfeldmeßeinrichtung (10, 30) angeordnet ist, die auf mindestens eine senkrecht zum Strahlweg verlaufende Komponente des Störmagnetfeldes anspricht, und daß ein der Stärke und Richtung der gemessenen Störmagnetfeldkomponente entsprechendes Ausgangssignal der Magnetfeldmeßeinrichtung einer Kompensationseinrichtung (Fig. 3) zum Kompensieren der gemessenen Magnetfeldkomponente zugeführt ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldmeßeinrichtung mindestens zwei Magnetfeldmeßvorrichtungen (10, 30) enthält, die an verschiedenen Stellen längs des Strahlweges neben diesem angeordnet sind.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnetfeldmeßvorrichtung eine Vorrichtung (80, 90, 90&min;) zum Erzeugen eines Kompensationsmagnetfeldes zugeordnet ist.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Magnetfeldmeßvorrichtung zwei Magnetfeldsonden enthält, die auf Magnetfeldkomponenten unterschiedlicher Richtung ansprechen.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnetfeldsonde eine Kompensationsspulenanordnung zugeordnet ist.

6. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Magnetfeldsonden eine um die Achse des Strahlweges verdrehbare Kompensationsspulenanordnung zugeordnet ist.

7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsvorrichtung mindestens ein Paar von sich bezüglich des Strahlweges gegenüberliegenden Magnetspulen enthält.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen (80, 90) koaxial angeordnet und gleichsinnig erregt sind.

9. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Magnetspulen (90&min;) im wesentlichen parallel zum Strahlweg verlaufen.

10. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldmeßeinrichtung mindestens eine direkt bei der Werkstückoberfläche angeordnete Magnetfeldsonde (30) enthält.

11. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldmeßeinrichtung langgestreckte, einen mittleren Wert der Störfeldkomponente über eine größere Strecke des Strahlweges messende Magnetfeldsonden enthält.

12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer Magnetfeldsonde erfaßte Strecke des Strahlweges mindestens 30, vorzugsweise mindestens 50 mm beträgt.