Laserstrahl- vs. Elektronenstrahlschweißen:Wählen Sie den optimalen Prozess für Ihre Anwendungen

Befürworter des Laserstrahlschweißens (LBW) und des Elektronenstrahlschweißens (EBW) loben jeweils ihre bevorzugte Technologie, aber oft besteht die beste Lösung für einen Kunden darin, beide Technologien zusammen zu verwenden. Beide Verfahren eignen sich gut zum Verbinden von Bauteilen mit komplexen Geometrien und sind in der Lage, höchste Anforderungen an die metallurgischen Eigenschaften der Endmontage zu erfüllen.

Abbildung 1. Festkörperlaserschweißsystem (Foto mit freundlicher Genehmigung von TRUMPF Inc.)

Der Einsatz von Laser- und Elektronenstrahltechnologien in einer einzigen Anlage kann den Herstellungsprozess rationalisieren, wenn das Design einer Komponente mehrere Schweißverbindungen umfasst, die separat auf den einen oder anderen Prozess zugeschnitten sind. Beispiele hierfür sind Sensoren, medizinische Geräte und Produkte, die ein Inertgas oder Vakuum erfordern, um im fertigen Teil abgedichtet zu werden.

Eine Laserbearbeitung ist entweder dann erforderlich, wenn die Größe der Endbaugruppe für eine EB-Schweißkammer zu groß ist, einige Komponenten in einer Baugruppe nicht mit der Vakuumbearbeitung kompatibel sind (z. B. eine Flüssigkeit oder ein Gas) oder wenn die Schweißnaht für eine Elektronenstrahlquelle nicht zugänglich ist. Der Elektronenstrahl ist die erste Wahl, wenn die fertige Baugruppe unter Vakuum mit internen Komponenten abgedichtet werden muss, wenn die Schweißdurchdringung mehr als 1⁄2 Zoll beträgt, wenn das Material eine Laserkopplung nur schwer initiieren kann oder wenn die Schweißnaht keinen atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt werden darf, bis sie auf eine akzeptable Temperatur abgekühlt ist. Beispiele hierfür sind das Schweißen von Titan und seinen Legierungen sowie vielen hochschmelzenden Metallen wie Wolfram, Niob, Rhenium und Tantal in der Luft- und Raumfahrt.

LBW – einfachere Werkzeugbestückung und kürzere Zykluszeiten

Laserschweißenergiequellen nutzen entweder eine kontinuierliche Welle (CW) oder einen gepulsten Photonenausgang. Bei CW-Systemen ist der Laserstrahl während des Schweißvorgangs immer eingeschaltet. Gepulste Systeme werden so moduliert, dass sie eine Reihe von Impulsen mit einer Auszeit zwischen diesen Impulsen ausgeben. Bei beiden Verfahren wird der Laserstrahl optisch auf die zu verschweißende Werkstückoberfläche fokussiert. Diese Laserstrahlen können über klassische Hartoptiken direkt zum Teil geleitet werden oder über ein hochflexibles Glasfaserkabel, das die Laserenergie an entfernte Arbeitsstationen liefern kann.

Es ist die hohe Energiedichte des Lasers, die es ermöglicht, die Oberfläche des Materials schnell auf ihre Liquidustemperatur zu bringen, was im Vergleich zu herkömmlichen Schweißmethoden wie WIG-Schweißen (WIG-Schweißen) und ähnlichen Verfahren eine kurze Strahlwechselzeit ermöglicht. Dadurch bleibt der Energie weniger Zeit, sich in das Innere des Werkstücks zu zerstreuen. Dies führt zu einer schmalen Wärmeeinflusszone und einer geringeren Ermüdungsbelastung des Bauteils.

Die Strahlenergieabgabe kann hochgradig kontrolliert und moduliert werden, um beliebige Impulsprofile zu erzeugen. Schweißnähte können durch Überlappung einzelner Impulse erzeugt werden, wodurch der Wärmeeintrag durch die Einführung eines kurzen Abkühlzyklus zwischen den Impulsen reduziert wird, ein Vorteil für die Herstellung von Schweißnähten in wärmeempfindlichen Materialien.

Salay Stannard, Materialingenieur bei Joining Technologies, einem in East Granby, CT ansässigen Innovator für Laserauftrags-, Elektronenstrahl- und Laserschweißanwendungen, stellt fest, dass CW-Laser Eindringungen von bis zu 0,5 Zoll und mehr erreichen können, während gepulste Laser typischerweise nur 0,030 bis 0,045 Zoll erreichen. Sie sagt:„Diese Ergebnisse können je nach Lasersystem variieren und hängen weitgehend von der Wahl der Verarbeitungsparameter und dem Verbindungsdesign ab.“ Abbildung 1 zeigt den Aufbau einer Festkörperlaserschweißanlage.

Stannard fügt hinzu:„Da die Wärmequelle bei dieser Art von Schweißprozess die Energie des Lichts ist, sollte das Reflexionsvermögen des Schweißmaterials berücksichtigt werden. Beispielsweise erfordern Gold, Silber, Kupfer und Aluminium einen intensiveren Energieeintrag. Sobald es geschmolzen ist, wird das Reflexionsvermögen verringert und die Wärmeleitfähigkeit des Prozesses schreitet voran, um eine Durchdringung zu erreichen.“

Wie bereits erwähnt, führt die hohe Leistungsdichte des Lasers zu kleinen Wärmeeinflusszonen und stellt sicher, dass kritische Komponenten nicht beschädigt werden. Dies bietet besondere Vorteile für chirurgische Instrumente, elektronische Komponenten, Sensorbaugruppen und viele andere Präzisionsgeräte. Im Gegensatz zu EBW erzeugt LBW keine Röntgenstrahlen und lässt sich leicht durch Automatisierung und Robotik manipulieren. Im Allgemeinen gelten für LBW auch einfachere Werkzeuganforderungen und es gibt keine physikalischen Einschränkungen einer Vakuumkammer. Kürzere Zykluszeiten führen zu Kostenvorteilen ohne Qualitätseinbußen. Tabelle 1 listet die Vorteile von Dauerstrich- und Puls-LBW auf.

EBW – tiefere Schweißnahtdurchdringung und frei von Verunreinigungen

EBW ist in vielen Branchen weit verbreitet und ermöglicht das Schweißen von feuerfesten und unähnlichen Metallen, die für andere Methoden normalerweise ungeeignet sind. Wie in Abbildung 2 dargestellt, wird das Werkstück mit einem fokussierten Elektronenstrom beschossen, der sich mit extrem hoher Geschwindigkeit bewegt. Die kinetische Energie der Elektronen wird in Wärmeenergie umgewandelt, die wiederum die treibende Kraft für die Fusion ist. Normalerweise ist kein zusätzliches Füllmaterial erforderlich oder verwendet, und die Verformung nach dem Schweißen ist minimal. Die ultrahohe Energiedichte ermöglicht ein tiefes Eindringen und hohe Aspektverhältnisse, während eine Vakuumumgebung eine kontaminationsfreie Schweißung durch atmosphärische Gase gewährleistet, was für Metalle wie Titan, Niob, hochschmelzende Metalle und Superlegierungen auf Nickelbasis von entscheidender Bedeutung ist.

Abbildung 2. Elektronenstrahlschweißen

Die wichtigste Voraussetzung für den Betrieb im Vakuum ist jedoch die präzise Steuerung des Elektronenstrahls. Streuung tritt auf, wenn Elektronen mit Luftmolekülen interagieren; Durch die Senkung des Umgebungsdrucks können Elektronen besser kontrolliert werden.

Moderne Vakuumkammern sind mit modernsten Dichtungen, Vakuumsensoren und leistungsstarken Pumpsystemen ausgestattet, die eine schnelle Evakuierung ermöglichen. Diese Eigenschaften ermöglichen es, den Elektronenstrahl auf Durchmesser von 0,3 bis 0,8 Millimeter zu fokussieren.

Durch die Integration der neuesten Mikroprozessor-Computer-Numerischen-Steuerung (CNC) und Systemüberwachung für eine bessere Teilemanipulation können Teile unterschiedlicher Größe und Masse verbunden werden, ohne dass kleinere Komponenten übermäßig schmelzen. Durch die präzise Steuerung sowohl des Durchmessers des Elektronenstrahls als auch der Bewegungsgeschwindigkeit können Materialien mit einer Dicke von 0,001 bis mehreren Zoll miteinander verschmolzen werden. Diese Eigenschaften machen EBW zu einer äußerst wertvollen Technologie.

Durch den Prozess wird nur eine minimale Wärmemenge in das Werkstück eingebracht, wodurch möglichst wenig Verzug entsteht und fertig bearbeitete Komponenten ohne zusätzliche Bearbeitung zusammengefügt werden können. Tabelle 2 listet die Hauptvorteile des Elektronenstrahlschweißens auf.

Laut John Rugh, Marketing- und Vertriebsleiter für PTR-Precision Technologies, Inc. mit Sitz in Enfield CT, ist EBW ein Prozess, der noch lange im Einsatz sein wird. „Da die meisten EB-Schweißungen in einer Vakuumkammer durchgeführt werden, eignet es sich hervorragend zum Verbinden fortschrittlicher Materialien, die in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Energieerzeugung, Medizin und Nuklearindustrie verwendet werden und in einer Vakuumumgebung hergestellt werden müssen, um sie vor Sauerstoff und Stickstoff zu schützen, die in einer Umgebung unter freiem Himmel vorkommen.“

Er fügt hinzu:„Die Sauberkeit der Schweißumgebung ist eine Variable, um die Sie sich keine Sorgen machen müssen. Die neuen EB-Schweißsteuerungen sorgen nicht nur für die ideale Schweißumgebung, sondern ermöglichen auch eine schnelle elektromagnetische Ablenkung des Strahls, wodurch der Wärmeeintrag der Schweißnaht und der Umgebung individuell angepasst werden kann, um optimale Materialeigenschaften zu erzielen.“

Die kontinuierliche koaxiale Pulverzufuhrdüse ermöglicht das multidirektionale Laserauftragschweißen dort, wo eine hohe Pulvereffizienz erforderlich ist. Es bietet auch hervorragende atmosphärische Abschirmeigenschaften für Materialien, die sehr anfällig für extreme Oxidation sind, wie z. B. Titan.

Diese schnelle Ablenkung ermöglicht beispielsweise das gleichzeitige Vorheizen, Schweißen und Nachheizen, indem einfach die Strahlposition, der Fokus und die Leistungsniveaus schnell verschoben werden. Dies bietet die Möglichkeit, schwierige oder „unmöglich zu schweißende“ Legierungen zu schweißen.

Laut Geoffrey Young, General Manager von Cambridge Vacuum Engineering mit Sitz in Massachusetts, „erfordern EBW-Teile ein Minimum an Nachbearbeitung und Wärmebehandlung, und im Gegensatz zu anderen Schmelzschweißverfahren benötigt EBW keine Schutzgase.“ Er fügt hinzu:„Die Schweißqualität ist außergewöhnlich, der Prozess ist äußerst effizient (normalerweise 95 Prozent), alle Prozessparameter werden sorgfältig kontrolliert und der Prozess ist vollständig automatisiert.“

Das Beste aus beiden Welten

Laut John Rugh wird LBW üblicherweise zum Schweißen von Stahlblechkomponenten und bearbeiteten Komponenten mit einer Dicke von weniger als 1/3 bis 1⁄2 Zoll verwendet. Laserschweißen eignet sich auch zum Verbinden von Teilen, die nicht für die Bearbeitung in einer Vakuumkammer geeignet sind.

„Einige Teile und die dazugehörigen Schweißvorrichtungen sind möglicherweise zu groß, um in die verfügbaren EB-Schweißkammern zu passen“, sagte Rugh. „Abgesehen von der Größe wäre Laserschweißen eine gute Wahl, wenn die zu schweißenden Komponenten Flüssigkeiten enthalten, die das Vakuumpumpen beeinträchtigen würden.“ Das Evakuieren einer EB-Schweißkammer dauert Minuten und diese Zeit lohnt sich möglicherweise nicht für eine weniger empfindliche Schweißnaht.

Wenn Komponenten von hohem Wert sind und aus einem Material bestehen, das von der Vakuumumgebung profitieren würde, wie etwa Titan- und Nickellegierungen, die Schweißnähte tiefer als 1/3 bis 1/2 Zoll sind oder wenn der Laserstrahl Schwierigkeiten hat, sich mit dem zu schweißenden Material zu verbinden, wie etwa bei Aluminiumlegierungen, ist EB-Schweißen oft das Verfahren der Wahl gegenüber Laserschweißen.

Obwohl jede Technologie ihre Vorteile hat, umfassen viele Komponentendesigns in praktischer Hinsicht sowohl Elektronenstrahl- als auch Laserschweißungen. In diesen Fällen rationalisiert die Durchführung beider Schweißarten in derselben Anlage den Herstellungsprozess auf jeden Fall.

Dieser Artikel wurde von John Lucas, Prozessentwicklungstechniker, Joining Technologies (East Granby, CT) verfasst. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an John unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können, oder besuchen Sie http://info.hotims.com/34454-200  .