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Schweißen Elektronenstrahl mit Tiefschweißeffekt

| Autor / Redakteur: Dr. Thorsten Löwer * / Dorothee Quitter

Das Elektronenstrahlschweißen hat sich zu einer hoch- modernen Technologie weiterentwickelt. Anders als beim Lichtbogen, bestimmt hier die Aufgabe den Prozess.

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Das Elektronenstrahl-Schweißverfahren ist für Stumpfnähte konzipiert. Es kann eine Vielzahl von Metallen mit Einschweißtiefen von über 150 mm verbinden.
Das Elektronenstrahl-Schweißverfahren ist für Stumpfnähte konzipiert. Es kann eine Vielzahl von Metallen mit Einschweißtiefen von über 150 mm verbinden.
(Bild: Pro-Beam)

Im Gegensatz zu asiatischen Unternehmen, erfährt die Technologie des Elektronenstrahlschweißens (Electron Beam; EB) auf dem deutschen Markt oft eine Absage von Konstrukteuren und Produktmanagern. Zu komplex – so die gängige Meinung. Allerdings hat sich das Verfahren im Rahmen der Digitalisierung in den letzten Jahren zu einer hochmodernen Technologie weiterentwickelt. So können mittlerweile dank umfassender Innovationen im Software- und CNC-Bereich vielfältige Schweißaufgaben realisiert werden – präziser, produktiver und wirtschaftlicher. Sowohl Branchen mit hohen Taktzeiten, wie die Automobilindustrie, als auch Bereiche bei denen Genauigkeit und Präzision im Vordergrund stehen, wie die Luft- und Raumfahrtbranche und Großforschungsprojekte, setzen schon auf das Verfahren. Zum Beispiel für das Fügen von Klappentellern, Turbinen oder tonnenschweren Stahlkesseln. Auch Konstrukteuren bietet das Elektronenstrahlschweißen Vorteile bezüglich der Bauteilgeometrie. Denn anders als beim Lichtbogen, bestimmt beim Electron Beam immer die Aufgabe den Prozess.

Auch Materialkombinationen fügbar

Bei der Konstruktion besteht die Möglichkeit, Bauteile mit fast beliebigen Geometrien und höchster Komplexität zu realisieren. Denn der Elektronenstrahl lässt sich über Magnetfelder intelligent formen und beeinflussen, wodurch selbst die präzise Bearbeitung von schwer zugänglichen Nähten möglich wird. Eine zerspanende Nachbearbeitung kann meistens entfallen.

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Konstrukteure können sich außerdem die Materialfreiheit bei der Technologie zu Nutze machen, da der Elektronenstrahl fast alle metallischen Werkstoffe bearbeitet – von Einsatzstählen, Kupfer über Aluminium und Aluminiumlegierungen bis hin zu Titan. Außerdem können auch viele Materialkombinationen gefügt werden, wodurch oft erhebliche Materialkosten eingespart werden.

Ein weiterer Vorteil ist der fokussierte Wärmeeintrag, welcher einen nur minimalen Verzug beim bearbeiteten Werkstück hervorruft und die mechanischen und technologischen Gütewerte des Materials beibehält. Dies ist auch der Grund, weshalb der Elektronenstrahl als das verzugsärmste Schweißverfahren überhaupt bezeichnet wird. Da mit dem Elektronenstrahl geschweißte Komponenten nach dem Schweißvorgang sofort nutzbar und einbaufähig sind, entfallen kostenintensive mechanische Nacharbeiten.

Der Tiefschweißeffekt, welcher sich durch Einschweißtiefen von über 150 mm auszeichnet und gleichzeitig zu schmalen sowie parallelen Schweißnähten mit geringem Schmelzbadvolumen führt, eröffnet darüber hinaus eine Vielfalt an Anwendungsmöglichkeiten. Diese reichen vom Schweißen von Bauteilen mit wenigen Gramm bis hin zum Fügen von Komponenten mit mehreren Tonnen Gewicht. Die erzeugten Metallverbindungen sind grundsätzlich höchst sicher und beständig – weshalb sich vor allem die Bearbeitung hochbelastbarer Bauteile für das Verfahren eignet.

Elektronenstrahl schweißt punktgenau

Beim Elektronenstrahlschweißen erzeugt eine geheizte Kathode zunächst eine Wolke aus freien Elektronen. In der Regel sind Elektronen fest an Atome gebunden, sie lassen sich aber unter Energiezufuhr aus dem Gitterverband lösen. Die Elektronen werden dann durch ein elektrisches Feld zur Anode beschleunigt. Elektromagnetische Linsen formen aus den freien Elektronen einen fokussierten Strahl. Dabei erreichen diese eine Geschwindigkeit zwischen einem und zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit.

Treffen die Elektronen schließlich auf die Materie auf, geben sie punktgenau Wärme ab; das umgebende Material bleibt weitestgehend kalt. Bei Energiedichten von über 107 W/cm2 verdampft die geschmolzene Substanz im Zentrum schließlich. Es entsteht eine Kapillare aus Dampf, die von flüssigem Material umgeben ist.

Das gesamte Schweißverfahren findet im Vakuum statt, entweder in einem Schleusen-Shuttle-System oder in Großkammern. Intelligente Schleusenkonzepte verhindern, dass die Erzeugung des Vakuums zu Lasten der Produktionszeit geht. Das Vakuum ermöglicht die Verarbeitung von refraktär Metallen wie Titan, Zirkonium oder Niob und benötigt keine Hilfs- und Betriebsstoffe, wie beispielsweise Prozessgase. Verglichen mit konventionellen Verfahren führt das Arbeiten unter Vakuum zu sauberen Werkstücken und einer besseren Qualität der Schweißnaht. (qui)

* Dr. Thorsten Löwer, CTO pro-beam Gruppe, Gilching

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