Ein Elektronenstrahl bringt schlanke Nähte

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Schlanke Nähte mit Tiefen von mehr als 100 mm erzielt

Doch wie funktioniert das Elektronenstrahlschweißen? Das Elektron wird beim Elektronenstrahlschweißen durch Hochspannung beschleunigt und als Energie in die Prozesszone eingebracht. Die Strahlbildung erfolgt im Hochvakuum. Die Elektronen geben beim Abbremsen ihre Energie in Form von Wärme punktgenau an der Auftreffstelle ab. Das umgebende Material bleibt weitgehend kalt. Positiver Nebeneffekt ist das Tiefschweißen, das entsteht, wenn ein Elektron nach dem anderen auf der Oberfläche des Werkstücks auftrifft und diese punktuell erhitzt. Bei Energiedichten oberhalb von etwa 106 W/cm² verdampft das geschmolzene Material im Zentrum des so genannten Brennflecks. Dabei entsteht eine Kapillare aus Dampf, die von flüssigem Material umgeben ist. Sie erlaubt dem Strahl, tiefer vorzudringen und wieder festes Material aufzuschmelzen.

Eine 200 mm dicke Stahlplatte in einem Durchgang schweißen

Wird das Werkstück relativ zum Strahl bewegt, so schmilzt das Material vor dem Strahl auf, fließt um die Dampfkapillare herum und erstarrt auf ihrer Rückseite. Durch den Tiefschweißpunkt können schlanke Schweißnähte mit Tiefen von mehr als 100 mm erzeugt werden. Die Verwendung von Lasern zum Schweißen von Metallen stößt darüber hinaus im Bereich von 6 mm Nahttiefe an die Grenzen der Wirtschaftlichkeit.

Beim Elektronenstrahlschweißen werden sehr hohe Prozessgeschwindigkeiten im Vergleich zu anderen Verfahren erreicht: Bei dünnen Folien bis 60 m/Minute bei Leistungsdichten bis zu 107 Watt/cm². Typisch sind Schweißgeschwindigkeiten zwischen 10 und 100 mm/s für Einschweißtiefen zwischen 20 und 2 mm. Eine Stahlplatte mit 200 mm Dicke kann in einem Durchgang mit einem Vorschub von 1,25 mm/s geschweißt werden, das sind 13,3 Minuten für einen Meter Nahtlänge. Zum Vergleich: Unterpulverschweißen mit einem Tandemlichtbogen benötigt 10 Stunden pro Meter und Schweißen mit einem Handlichtbogen 130 Stunden pro Meter (Werte laut US-Norm für Stahl und Kesselblech). Allein das Zusatzmaterial, das für konventionelle Schweißverfahren notwendig ist, kostet häufig so viel wie die Herstellung der gesamten Naht beim Elektronenstrahlverfahren.

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