Elektronenstrahlschweißen: Definition, Prozess, Anwendungen, Vor- & Nachteile

In diesem Artikel erhalten Sie einen detaillierten Überblick über das Elektronenstrahlschweißen (EBW).

Dieses Schweißverfahren wurde 1949 von Karl-Heinz Steigerwald, einem deutschen Physiker, erstmals entwickelt.

Zunächst Definition und Funktionsweise, dann Anwendungen, Vor- und Nachteile der EBW-Anlage.

Was ist Elektronenstrahlschweißen?

Elektronenstrahlschweißen ist ein Flüssigphasenschweißverfahren, bei dem zwei gleiche oder ungleiche Metalle durch Wärme verbunden werden, die von hochenergetischen Elektronen erzeugt wird. Trifft ein Elektron mit hoher Geschwindigkeit auf das Werkstück, erfolgen zwei Energieumwandlungen: kinetische Energie in thermische Energie.

Aufbau der Elektronenstrahlschweißanlage

Besteht aus folgenden Komponenten:

• Hochspannungsnetzteil
• Elektronenkanone (Elektronengun)
• Kathodengitter (Cathode Grid)
• Anode
• Optisches Beobachtungssystem
• Magnetische Linse
• Ablenkspule (Deflecting Coil)
• Vakuumkammer
• Werkstück
• Werkstückhaltevorrichtung (Spannvorrichtung)

Hochspannungsnetzteil

Zwei Spannungsbereiche:

• Niederspannung für Dünnblechschweißen: 5–30 kV.
• Hochspannung für Dickblechschweißen: 70–150 kV.

Elektronenkanone

Freie Elektronen werden durch Thermoemission von einem heißen Metalldraht/-band erzeugt. Hauptzweck: Umwandlung freier Elektronen in einen Elektronenstrahl mittels Kathodengitter, Anode, magnetischer Linse und Ablenkspule.

Kathodengitter

Erzeugt freie Elektronen bei sehr niedriger Spannung (eV). Zur Beschleunigung durchlaufen sie das hohe elektrische Feld zwischen Anode und Emitter (Kathode).

Anode

Beschleunigt die vom Kathodengitter erzeugten Elektronen.

Optisches Beobachtungssystem

Ermittelt und justiert den Einwirkpunkt des Elektronenstrahls auf dem Werkstück.

Magnetische Linsen

Lassen nur konvergente Elektronen passieren; absorbieren niederenergetische divergente Elektronen; erzeugen hochintensiven Elektronenstrahl.

Ablenkspule

• Art magnetischer Linse; wird in Kathodenstrahlröhren eingesetzt.
• Ermöglicht das Ablenken des Elektronenstrahls über den gesamten Bildschirm.

Vakuumkammer

• Luftfreier Raum; Schweißung erfolgt im Vakuum.
• Druck voreingestellt auf unter- oder normalatmosphärischen Druck.
• Auch Braun-Röhre oder -Kammer genannt.

Werkstück

• An Vorrichtungen befestigt.
• Kann aus gleichen oder ungleichen Metallen bestehen.

Werkstückhaltevorrichtung

• Auch Spannvorrichtung genannt; fixiert das Werkstück starr.
• Material: Stahlguss, Edelstahl, Gusseisen, hochfester Stahl etc.

Funktionsprinzip des Elektronenstrahlschweißens

Prinzip entspricht dem Elektronenstrahlbearbeiten. Gleichartige oder ungleiche Metalle werden mittels Elektronenstrahl verbunden.

Stromversorgung wird eingeschaltet. Eine Kathode (negative Ladung) aus Wolfram ist sichtbar. Darunter die Anode.

Es muss eine Potentialdifferenz von ca. 30–175 kV erzeugt werden, da das kohärente Licht von der Kathode durch die Anode tritt und diese es maximal beschleunigt.

Das kohärente Licht trifft direkt auf das Werkstück; eine Fokussierspule verringert den Strahldurchmesser.

Über die Ablenkspule trifft der Strahl auf das Werkstück; die Temperatur ist so hoch, dass das Werkstück schmilzt. Kinetische Energie wird in thermische Energie umgewandelt.

Das Werkstück ist an Vorrichtungen befestigt; der gesamte Prozess erfolgt im Vakuum (keine Luft). Würde Luft eindringen, könnte der Strahl abgelenkt werden und an unerwünschter Stelle auftreffen.

Video einer modernen Elektronenstrahlschweißanlage: (Einbettung im Original)

Anwendungen des Elektronenstrahlschweißens

• Schweißen und Bohren von Werkstücken.
• Branchen: Schifffahrt, Automobil, Luftfahrt, Fertigung, Rüstung.
• Verbindung gleicher und ungleicher Metalle.
• Fügen von schwer schmelzbaren Materialien (Wolfram, Keramik etc.).
• Medizintechnik.
• Schneiden schmaler Schlitze (25 µm).

Vorteile des Elektronenstrahlschweißens

• Kein Zusatzwerkstoff erforderlich.
• Sehr geringer Verzug.
• Sehr wenige Schweißfehler.
• Schweißt harte Materialien.
• Hohe Oberflächengüte.
• Hohe Verbindungsrate.
• Schmale Wärmeeinflusszone und Schweißnaht.
• Ermöglicht Fügen von homogenen und Diffusionsmetallen.
• Kontinuierlicher, dichter Schweißprozess.
• Werkstück behält hohe Festigkeit (bis 95 % der Grundwerkstofffestigkeit).
• Sehr präzises Verfahren.
• Vollautomatisierter Prozess.

Nachteile des Elektronenstrahlschweißens

• Erfordert hochqualifiziertes Personal (kein Anlernen von Halbqualifizierten).
• Werkstückgröße begrenzt durch Vakuumkammer.
• Hoher Wartungsaufwand.
• Teure Ausrüstung.
• Hohe Installations- und Investitionskosten.
• Röntgenstrahlung – großes Gesundheitsrisiko.
• Hohe Produktionskosten.

Fazit

Das war der detaillierte Überblick zum Elektronenstrahlschweißen. Ich hoffe, der Artikel war interessant. Wir haben viele weitere wissensbasierte Artikel zu Maschinenbauthemen – schauen Sie gerne rein.