Das Elektronenstrahlschweißen

Schweißverfahren - Teil 1 -

Das Hauptziel des Elektronenstrahl-Schweißprozesses ist, zwei sich berührende Werkstücke in der Stoßfuge zu schmelzen sowie die Schmelze ineinanderfließen und erstarren zu lassen. Aber auch die anderen Aggregatzustände sind am Schweißprozeß maßgeblich beteiligt. Ein Teil des Werkstoffes muß in die Dampfphase überführt werden, um die volle Werkstückdicke aufzuschmelzen, ein anderer Teil des Werkstoffes wird so gering erwärmt, daß er zwar im festen Zustand verbleibt, aber metallurgischen Veränderungen unterliegt.

27. März 2003

Die hervorragenden Steuerungsmöglichkeiten des Elektronenstrahlverfahrens erlauben es nun, den Werkstoff entweder nur im festen Zustand zu erwärmen, ihn überwiegend zu schmelzen oder ihn in erster Linie zu verdampfen. Diese Varianten eröffnen zahlreiche Bearbeitungsverfahren sowohl für Metalle als auch für Kunststoffe und Keramik.

Für die Werkstoffbearbeitung zählen Elektronenstrahlschweißanlagen zu den teuersten, aber auch zuverlässigsten. Vor allem erzeugen sie Produkte höchster Qualität. Die Investitionskosten in Millionenhöhe sind zwar eine Hemmschwelle, doch durch die nachweisbar wirtschaftliche Arbeitsweise und den Qualitätsvorteil hat sich diese Strahltechnologie in vielen Branchen einen festen Platz erobert.

Schweissverbindungen in höchster Güte

Beim Schweißen mit dem Elektronenstrahl wird die Energie von hochbeschleunigten Elektronen (Spannung bis 150 kV) benutzt (EB electron beam). Die Elektronen bewegen sich zum Werkstück mit maximal zweidrittel Lichtgeschwindigkeit. Konzentriert auf einen kleinen Brennfleck wird eine Energiedichte bis 10 kW/mm2 erzielt. Dies ist etwa zwanzig bis fünfzig mal höher als bei herkömmlichen Lichtbogenschweißverfahren. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, große Nahtdicken schnell zu schweißen und dabei die wärmebeeinflußten Zonen kleinzuhalten. Das Elektronenstrahlschweißen bietet sich daher an zum Fügen von Metallen, die mit den herkömmlichen Verfahren wegen der auftretenden Temperaturgradienten nicht schweißbar waren, Verschweißen von maximal 200 mm dicken Teilen ohne Schweißzusatz in einer Lage, Herstellen von Schweißnähten höchster Güte - und das verformungsarm bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit in den unterschiedlichsten Positionen.

Verfahrensbeschreibung

Beim Elektronenstrahlschweißen dient ein auf wenige Zehntelmillimeter Durchmesser gebündelter Elektronenstrahl als Energiequelle. Die Schweißwärme entsteht durch Umwandlung der kinetischen Energie der auf das Werkstück prallenden hochbeschleunigten Elektronen.

Erzeugt wird der Elektronenstrahl in einem evakuierten Gehäuse, der Elektronenstrahlkanone. Die aus einer beheizten Katode austretenden Elektronen werden in Richtung einer ringförmigen Anode durch eine Hochspannung zwischen 30 und 150 kV beschleunigt und durch das elektrostatische Feld einer die Katode umgebenden Hilfselektrode (Wehneltzylinder) vorgebündelt. Der Elektronenstrahl wird hinter der Anode durch Spulen auf das zu schweißende Werkstück fokussiert. Er läßt sich zusätzlich durch besondere elektronenoptische Linsensysteme ablenken.

Im Entstehungsbereich des Elektronenstrahls - also zwischen Katode und Anode - ist Hochvakuum (mindestens 10-4 mbar) erforderlich. Dahinter ist der gebündelte Strahl bereits so beständig, daß er über mehrere Druckstufen bis an Atmosphärendruck geleitet werden kann. Es gibt daher sowohl Anlagen, bei denen die Arbeitskammer für das zu schweißende Werkstück gleichfalls auf „Hochvakuum“ oder „Teilvakuum“ (10-2 mbar) zu evakuieren ist, sowie solche, mit denen an „Atmosphärendruck“ geschweißt werden kann.

Elektronenstrahlkanone nach Pierce

Entwickelt worden sind verschiedene Typen von Elektronenstrahlkanonen. Der Typ nach Pierce ist am weitesten verbreitet und entspricht besonders den industriellen Anforderungen. Die Katode wird hier nicht direkt, sondern über eine Wendel beheizt. Diese indirekte Erwärmung sichert eine gute Nachführungsgenauigkeit der elektrischen Parameter und verlängert die Lebensdauer der „warmen“ Bauteile beträchtlich.

Die „abbildende“ Elektronenstrahlkanone

Die Leistungsregelung des Elektronenstrahls - üblich sind 1 bis 30 kW entsprechend der durchzuführenden Arbeit - kann entweder über die Beschleunigungsspannung oder durch Polarisation des Wehneltzylinders erfolgen. Bei einer maximalen Beschleunigungsspannung von 60 kV zwischen Katode und Anode ist der Anteil ausgesendeter Röntgenstrahlen so gering, daß der biologische Schutz der Bediener problemlos möglich ist. Diese Art Elektronenstrahlerzeuger ist mit einer Sammellinse für den Elektronenstrahl versehen. Möglich ist der Anbau einer optischen Visiervorrichtung, mit der die Auftreffstelle des Elektronenstrahls in bezug auf die herzustellende Naht kontrolliert werden kann.

Extrem schmale NähteDer zweite Typ ist die „abbildende“ Elektronenstrahlkanone mit einer Sitzi-Triode. Hierbei wird auf der Schweißstelle die elektronische Abbildung einer „punktförmigen“ Katode erzeugt. Sie besteht beispielsweise aus der Spitze einer V-förmig gekröpften durch elektrischen Strom erwärmten Wendel. Das System setzt sich aus drei Elektroden - Katode, Wehneltzylinder und Anode -, die auf verschiedenen Potentialen liegen, und einer magnetischen Linse zusammen. Dieser Typ arbeitet mit konstanter Spannung und ergibt ein sehr feines Strahlenbündel. Die Leistungseinstellung erfolgt durch Polarisieren des Wehneltzylinders.

Mit dem Elektronenstrahl geschweißte Nähte sind gekennzeichnet durch ein extrem hohes Verhältnis von Nahttiefe zur Nahtbreite, durch steile Nahtflanken und schmale Wärmeeinflußzonen. Infolge der hohen Energiekonzentration in der Achse des bebündelten Elektronenstrahls verdampft der Werkstoff dort in Sekundenbruchteilen. Nachfolgende Elektronen durchdringen diesen Metalldampf und geben ihre Energie auf dem Grund des Dampfkanals ab; die Kanalwand wird dabei schmelzflüssig. Eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Strahlachse bewirkt dann eine fast flächenhaft aufgeschmolzene und wiedererstarrte Zone.

Teils erhebliche Einsparpotentiale

Zwei zu verbindende Werkstückteile, deren Stoß genau unter dem Strahl geführt wird, können auf diese Weise ohne Schweißzusatz miteinander verbunden werden. Hierbei darf je nach Werkstückdicke eine maximale Spaltbreite nicht überschritten werden. Nahezu alle metallischen Werkstoffe - es gibt nur wenige Ausnahmen, zum Beispiel Messing - sind elektronenstrahlschweißgeeignet sowie auch viele Kombinationen von verschiedenen Metallen. Das Elektronenstrahlschweißen ist das gütemäßig beste Verfahren zum Schweißen solcher Werkstoffe, die gegenüber Einwirkungen der Atmosphäre empfindlich sind, zum Beispiel Titan und dessen Legierungen. Titan widersteht beispielsweise viele Jahre hinweg salzhaltigem Seewasser. Selbst aggressive Säuren können Titanlegierungen nicht angreifen. Ein Vorteil, den die Chemie im Behälter- und Anlagenbau nutzt. Etwa 30 Prozent der modernen Triebwerke in der Luft- und Raumfahrt bestehen aus diesem unverzichtbaren Metall und seinen Legierungen.

Trotz der verhältnismäßig hohen Anlagekosten ist das Elektronenstrahlschweißen wegen der hohen Schweißgeschwindigkeit, aus der eine hohe Fertigungsleistung resultiert, wirtschaftlich einsetzbar. Mit den heute üblichen Strahlleistungen von 1 bis 30 kW sind sowohl dickwandige Teile in einer Lage mit hoher Geschwindigkeit zu schweißen als auch Mikroschweißungen ausführbar.

Darüber hinaus eignet sich das Elektronenstrahlschweißen bevorzugt zur Automatisierung in der Fertigung. Der nahezu trägheitslos steuerbare Strahl läßt sich extrem schnell und genau positionieren. Das wesentliche Einsatzgebiet des Elektronenstrahlschweißens sind Fügeoperationen, durch die fertig bearbeitete Bauteilkomponenten praktisch verzugsfrei und meistens ohne Erfordernis einer Nachbearbeitung zum Gesamtteil zusammengeschweißt werden können. Damit steht das Elektronenstrahlschweißen in erster Lini nicht in Konkurrenz zu den klassischen Schweißverfahren, sondern tritt zum Teil an die Stelle formgebender Verfahren wie Schmieden, Drehen und Fräsen. Es lassen sich in vielen Fällen erhebliche Einsparungen an Werkstoff- und Fertigungskosten erzielen; und häufig wird durch die elektronenstrahlschweißgerechte Konstruktion eine völlig neue Produktgestaltung möglich.

Einsatzgebiete

Die Einsatzgebiete des Elektronenstrahlschweißens sind weit gefächert. Sie reichen von der Herstellung hochwertiger Einzelteile, beispielsweise für Komponenten im Kernreaktorbau, bis hin zur Großserienfertigung. Für die Luft- und Raumfahrt werden unter anderem Statoren und Rotoren von Strahlturbinen, Flügelkästen, Fahrwerksfederbeine, Höhenruder, Treibstofftanks und Treibstoffpumpen, Raketenbrennkammern sowie tragende Konstruktionen an Raketenstufen mit großem Erfolg elektronenstrahlgeschweißt. Große Stückzahlen fallen auch für die Kraftfahrzeugindustrie an. Elektronenstrahlgeschweißte Kolben, Ventile, Drehmomentwandler, Getriebeteile und Achsbrücken sind nur einige Beispiele dafür. Viele Anwendungen, wie das Schweißen eines Airbag-Topfes lassen sich ausschließlich durch die Bearbeitung mit dem Elektronenstrahl realisieren. Wenn der Airbag-Topf geschweißt wird, befindet sich die explosible Treibladung zum Füllen des Luftsacks bereits darin. In der Elektroindustrie werden beispielsweise Supraleiter, Relaisbauteile, Kontakte und mikroelektrische Teile elektronenstrahlgeschweißt. Armaturen, Druckspeicher, Präzisionsrohre und Bimetallbänder, Meßfühler und Druckwandler sowie Herzschrittmacher sind weitere Einsatzgebiete. Bei letzterem erfolgt das Dichtschweißen des Gehäuses, ohne daß dadurch das „elektronische Innenleben“ des Geräts beschädigt wird.

Erschienen in Ausgabe: 01/2003