Elektronenstrahlschweißen erklärt: Definition, Verfahren und Vorteile

Was ist Elektronenstrahlschweißen?

Elektronenstrahlschweißen (EBW) ist ein Schmelzschweißverfahren, bei dem ein Strahl hochgeschwindiger Elektronen auf zwei zu verbindende Werkstücke trifft. Die Werkstücke schmelzen und fließen zusammen, da die kinetische Energie der Elektronen beim Aufprall in Wärme umgewandelt wird. EBW wird häufig unter Vakuumbedingungen durchgeführt, um eine Streuung des Elektronenstrahls zu verhindern.

Elektronen werden in einer Elektronenkanone erzeugt und mithilfe elektrischer Felder auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Dieser Hochgeschwindigkeits-Elektronenstrom wird dann durch magnetische Felder fokussiert und präzise auf die zu verbindenden Materialien gerichtet.

Beim Aufprall der Elektronen wird ihre kinetische Energie in Wärme umgewandelt, wodurch die Metalle schmelzen und zusammenfließen. Elektronenstrahlschweißen erfolgt grundsätzlich im Vakuum, da Gasmoleküle den Strahl streuen würden.

Wegen der hohen Spannungen und des erforderlichen Vakuums ist der gesamte Prozess computergesteuert und stark automatisiert. Die präzise Natur der Technologie erfordert oft spezielle Vorrichtungen zur Fixierung der Bauteile, und CNC-Tische werden häufig verwendet, um Vorrichtungen und Werkstücke innerhalb der Schweißkammer zu bewegen.

Elektronenstrahlschweißanlagen sind sehr kostenintensiv, erfordern strenge Wartung, und die Unterstützung durch Hochspannungs- und Hochvakuumtechnologien kann anspruchsvoll sein. Doch Elektronenstrahlschweißnähte sind extrem präzise, fest und rein, der Prozess ist hochgradig reproduzierbar, und für viele Anwendungen und Materialien ist Elektronenstrahlschweißen die beste Fügetechnologie.

Ein typisches Elektronenstrahlschweißverfahren

Jeder Elektronenstrahlschweißauftrag ist anders, doch bei EB Industries folgt man einem Basisverfahren, das sowohl Schweißqualität als auch Produktionsrate sichert:

• Die zu fügenden Teile werden gründlich inspiziert und gereinigt
• Vorrichtungen zur sicheren Fixierung während des Schweißens werden entworfen. Man maximiert die Anzahl der pro Vakuumzyklus schweißbaren Teile für hohe Produktionsraten. Falls nötig, werden Vorrichtungen in der hauseigenen Werkstatt maßgefertigt
• Teile werden in die Vorrichtungen geladen und diese am CNC-Tisch des Elektronenstrahlschweißgeräts befestigt. Der CNC-Tisch wird programmiert, um die Teile präzise unter den Elektronenstrahl zu positionieren
• Die Vakuumkammer wird verschlossen und evakuiert, um den vom Kunden geforderten teilweisen oder vollständigen Vakuum zu erreichen
• Falls erforderlich, werden Probesweißungen zur Prüfung von Strahlausrichtung, Fokus, Strahlleistung, Schweißtiefe und Gesamtqualität durchgeführt. Parameter werden justiert und während aller Schweißvorgänge kontinuierlich überwacht
• Bei einem Produktionszyklus startet der Schweißer die CNC-Tisch-Programmierung und den Elektronenstrahl-Zündzyklus. Die Teile werden elektronengestrahlgeschweißt
• Am Ende des Schweißzyklus wird die Vakuumkammer belüftet und Teile sowie Vorrichtungen entnommen
• Die Teile werden sorgfältig aus den Vorrichtungen genommen und einer vollständigen Qualitätskontrolle unterzogen

Funktionsweise des Elektronenstrahlschweißens

Elektronenstrahlschweißen (EB-Schweißen) ist ein Schmelzschweißverfahren, bei dem Elektronen von einer Elektronenkanone erzeugt und mithilfe elektrischer Felder auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Dieser hochgeschwindige Elektronenstrom wird mittels magnetischer Felder eng fokussiert und auf die zu verbindenden Materialien gerichtet. Der Elektronenstrahl erzeugt kinetische Wärme beim Aufprall auf die Werkstücke, wodurch diese schmelzen und verbinden.

Elektronenstrahlschweißen erfolgt in einer Vakuumumgebung, da Gase den Strahl streuen können. Da es ein Vakuumprozess ist und hohe Spannungen verwendet, ist diese Schweißmethode stark automatisiert und computergesteuert. Daher kommen spezielle Vorrichtungen und CNC-Tische zum Einsatz, um Werkstücke im Vakuum-Schweißraum zu bewegen.

Neuere Entwicklungen in der Elektronenstrahlschweißtechnik ermöglichen ein lokales Verfahren, bei dem die Elektronenkanone in einer Vakuumbox an der Seite des zu verbindenden Materials untergebracht ist, anstatt das gesamte Werkstück in eine Vakuumkammer zu legen.

Beim Elektronenstrahlschweißen wird das Elektron von der Kathode der Elektronenkanone erzeugt. Nach der Kathode folgt ein Wehnelt-Zylinder (Becher-Gitter). Er verhindert die Divergenz der Elektronen und kontrolliert sie. Durch die hohe Spannung zwischen Kathode und Anode zieht der positiv geladene Anode die Elektronen aus dem Wehnelt-Zylinder an.

Der Anode beschleunigt die Elektronen, deren Geschwindigkeit auf 50.000 bis 200.000 km/s ansteigt. Vom Anode aus durchläuft der hochgeschwindige Elektronenstrahl die magnetische Linse und die Ablenkspulen.

Die magnetische Linse fokussiert den Elektronenstrahl auf die gewünschte Stelle am Werkstück. Die Ablenkspule lenkt den Strahl auf die erforderliche Schweißzone. Wenn der hochgeschwindige Elektronenstrahl das Werkstück trifft, entsteht intensive Hitze, die das Metall der beiden Werkstücke schmilzt und die Schweißzone füllt. Der flüssige Schweiß erstarrt und bildet eine feste Schweißverbindung.

Anwendungsgebiete des Elektronenstrahlschweißens

• Luft- und Raumfahrt: Fertigung von Strahltriebwerkskomponenten, Strukturteilen, Getriebeteilen und Sensoren
• Energieerzeugung
• Weltraumindustrie: Bau von Titantanks und Sensoren
• Automobilindustrie: Herstellung von Getriebesystemen, Zahnrädern und Turboladern
• Elektro- und Elektronikindustrie: Fertigung von Kupferstrukturteilen
• Weitere Bereiche: Nuklearindustrie, Medizintechnik, Forschungszentren etc.

Vorteile des Elektronenstrahlschweißens

• Hohe Schweißgeschwindigkeit
• Schweißen ungleicher Metalle möglich
• Hohe Schweißqualität und Präzision
• Geringe Betriebskosten
• Materialien mit hohen Schmelztemperaturen lassen sich leicht schweißen
• Geringe Verzug durch schmale Wärmeeinflusszone
• Reinigungskosten vernachlässigbar
• Schweißt dicke Bleche, Bereich von 0,025 mm bis 100 mm
• Ermöglicht Schweißen schwer zugänglicher Fugen

Nachteile des Elektronenstrahlschweißens

• Sehr hohe Anlagenkosten
• Hochqualifizierter Bediener erforderlich
• Hohes Vakuum nötig
• Wegen Vakuumbetrieb keine großen Werkstücke schweißbar
• Hohe Sicherheitsanforderungen