Elektronenstrahlschweißen erklärt: Prozess, Vorteile und Anwendungen

In diesem Artikel erfahren Sie was Elektronenstrahlschweißen ist, sein Funktionsprinzip, Ausrüstung, Anwendungen, Vorteile und mehr. Laden Sie auch die PDF-Datei dieses Artikels am Ende herunter.

Elektronenstrahlschweißen

Was ist EBM?

EBM oder Elektronenstrahlschweißen ist ein Schweißverfahren, das die Wärme nutzt, die durch einen Strahl hochenergetischer Elektronen erzeugt wird. Elektronen treffen auf das Werkstück und ihre kinetische Energie wird in thermische Energie umgewandelt, wodurch das Metall erhitzt wird, sodass die Seiten des Werkstücks verbunden werden können und nach dem Erstarren eine Schweißnaht gebildet wird.

Elektronenstrahlschweißen ist auch ein Flüssigphasenschweißverfahren. Dabei wird die Metall-zu-Metall-Verbindung in einem flüssigen oder geschmolzenen Zustand hergestellt. Es wird auch als Schweißverfahren bezeichnet, weil es die kinetische Energie von Elektronen nutzt, um zwei Metallwerkstücke zu verbinden.

Wann wurde EBM erfunden?

Dieses Schweißverfahren wurde 1958 vom deutschen Physiker Karl-Heinz erfunden. Bei diesem Schweißprozess trifft ein hochenergetischer Elektronenstrahl auf die Schweißplatten, wo seine kinetische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird.

Diese Wärmeenergie reicht aus, um die Werkstücke zu schmelzen und sie zu einem Stück zu verbinden. Dieser gesamte Prozess findet im Vakuum statt, andernfalls kollidieren Elektronen mit Luftteilchen und verlieren ihre Energie.

Wenn Sie eine Elektronenstrahlschweißmaschine kaufen möchten, kostet diese ca. 1.000.000 $ für das Modell EBW-112x102x66 von Sciaky. Die Maschine verfügt über einen 30 kW W2000 computergesteuerten Hochvakuum-Strahlschweißer mit einer Niederspannungs-(60 kV)-Elektronenkanone.

Ausrüstung des EBM

Folgende sind die Ausrüstungen des EBM:

1. Elektronenkanone (Elektronengun)
2. Anode
3. Magnetische Linsen
4. Elektromagnetische Linse und Ablenkspule
5. Werkstückhalterung
6. Vakuumkammer
7. Stromversorgung

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1. Elektronenkanone (Electron Gun)

Sie ist die wichtigste Ausrüstung des Elektronenstrahlschweißens. Es handelt sich um eine Kathodenröhre (negativer Pol), die Elektronen erzeugt, diese beschleunigt und an einem Ort konzentriert. Diese Kanone wird oft aus Wolfram- oder Tantallegierungen hergestellt. Die Kathodenfaden wird auf 2500 °C erhitzt für die kontinuierliche Emission von Elektronen.

2. Anode

Die Anode ist der positive Pol direkt hinter der Elektronenkanone. Ihre Hauptfunktion besteht darin, negative Ladungen (in diesem Fall Elektronen) anzuziehen, ihnen einen Pfad zu geben und sie nicht von ihrem Pfad abweichen zu lassen.

3. Magnetische Linsen

Es gibt eine Reihe magnetischer Linsen, die nur die konvergierenden Elektronen passieren lassen. Sie absorbieren alle divergenten Elektronen mit niedriger Energie und liefern einen hochintensiven Elektronenstrahl.

4. Elektromagnetische Linse und Ablenkspule

Elektromagnetische Linsen werden verwendet, um den Elektronenstrahl auf das Werkstück zu fokussieren, und die Ablenkspule lenkt den Strahl auf den erwarteten Schweißbereich. Dies sind die endgültigen Einheiten des EBW-Prozesses.

5. Werkstückhalterung

Dieses Schweißverfahren verwendet CNC-Tische, um Werkstücke zu halten, die sich in alle drei Richtungen drehen können. Schweißplatten werden mit geeigneten Vorrichtungen am CNC-Tisch befestigt.

6. Vakuumkammer

Wie Sie wissen, findet dieser gesamte Prozess in einer Vakuumkammer statt. Das Vakuum wird durch mechanische oder elektrisch betriebene Pumpen erzeugt. Der Druckbereich in der Vakuumkammer beträgt etwa 0,1 bis 10 Pa.

7. Stromversorgung

Dieses EBM-Schweißverfahren verwendet eine Stromquelle, um einen kontinuierlichen Elektronenstrahl für den Schweißprozess zu liefern. Der Schweißspannungsbereich für Niederspannungsgeräte oder für dünnes Schweißen beträgt etwa 5 – 30 kV und für Hochspannungsgeräte oder 70 – 150 kV für dickes Schweißen.

Funktionsprinzip des Elektronenstrahlschweißens

Es funktioniert nach dem Prinzip der Elektronenstrahlbearbeitung. Dieser Prozess nutzt die kinetische Energie von Elektronen, um Wärme zu erzeugen. Diese Wärme wird verwendet, um zwei Schweißplatten zu verbinden.

Wenn ein hochenergetischer Elektronenstrahl auf die Schweißplatten trifft, wird seine kinetische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Diese Wärmeenergie reicht aus, um eine verschmolzene Verbindung durch Verbinden zweier Metallplatten zu bilden.

Funktionsweise des Elektronenstrahlschweißens

EBM ist ein Schweißverfahren, das die durch einen hochenergetischen Elektronenstrahl erzeugte Wärme nutzt. Die Elektronen treffen auf das Werkstück und ihre kinetische Energie wandelt sich in thermische Energie um, wodurch das Metall erhitzt wird, sodass die Seiten des Werkstücks verbunden werden und nach dem Erstarren eine Schweißnaht gebildet werden kann.

Der Prozess wird in der Vakuumkammer bei einem Druck von etwa 2 × 10⁻⁷ bis 2 × 10⁻⁶ psi (0,0013 bis 0,0013 Pa) durchgeführt. Ein so hohes Vakuum ist erforderlich, um Energieverlust der Elektronen durch Kollisionen mit Luftmolekülen zu verhindern.

Die Elektronen werden von einer Kathode (Elektronenkanone) emittiert. Aufgrund einer hohen Spannung (ca. 150 kV) zwischen Kathode und Anode werden die Elektronen auf 30 % – 60 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Die kinetische Energie der Elektronen wird ausreichend, um die gezielte Schweißnaht zu schmelzen. Ein Teil der Energie der Elektronen wandelt sich in Röntgenstrahlung um.

Durch das elektrische Feld beschleunigte Elektronen werden dann in der Fokussierspule in einen dünnen Strahl fokussiert. Die Ablenkspule bewegt den Elektronenstrahl entlang der Schweißnaht. Der Elektronenstrahl ist in der Lage, Werkstücke mit einer Dicke von 0,004″ (0,01 mm) bis 6″ (150 mm) Stahl und bis zu 20″ (500 mm) Aluminium zu schweißen.

Elektronenstrahlschweißen kann verwendet werden, um jedes Metall zu verbinden, einschließlich Metallen, die selten mit anderen Schweißverfahren verschweißt werden: refractory Metalle (Wolfram, Molybdän, Niob) und chemisch aktive Metalle (Titan, Zirconium, Beryllium).

Elektronenstrahlschweißen ist auch in der Lage, ungleiche Metalle zu verbinden. Die Anordnung erfolgt wie in der Abbildung gezeigt.

Vorteile des Elektronenstrahlschweißens

1. Dichte, kontinuierliche Schweißnaht.
2. Geringer Verzug.
3. Schmale Schweißnaht und schmale wärmebeeinflusste Zone.
4. Zusatzwerkstoff ist nicht erforderlich.
5. Es können sowohl gleichartige als auch Diffusions-Metalle geschweißt werden.
6. Das Elektronenstrahlschweißverfahren bietet eine hohe Metallverbindungsrate.
7. Es kann harte Materialien schweißen.
8. Es liefert hochwertige Schweißnahtoberflächen.
9. Der gesamte Prozess im Vakuum hat weniger Schweißfehler.

Nachteile des Elektronenstrahlschweißens

1. Die Ausrüstung ist sehr teuer.
2. Hohe Produktionskosten.
3. Diese Art des Schweißens erzeugt Röntgenstrahlung.
4. Hohe Kapital- oder Installationskosten.
5. Regelmäßige Wartung erforderlich.
6. Die Werkstückgröße ist durch die Vakuumkammer begrenzt.
7. Es erfordert hochqualifizierte Arbeitskräfte.

Anwendungen des Elektronenstrahlschweißens

1. Es wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie und in der Schifffahrtsindustrie für Infrastrukturarbeiten eingesetzt.
2. Diese Art des Schweißens wird allgemein in der Automobilindustrie für die Verbindung von Getrieben, Antriebssystemen, Turboladern usw. verwendet.
3. EBM wird zum Verbinden von Titan und seinen Legierungen angewendet.
4. Es wird in der Elektronikindustrie zum Schweißen von elektronischen Steckverbindern verwendet.
5. Dieses EBM-Schweißverfahren wird auch in Kernreaktoren und der Medizintechnik eingesetzt.

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