Elektronenstrahlschweißen erklärt: Definition, Prozess und Vorteile

Was ist Elektronenstrahlschweißen?

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

Elektronen werden über eine Elektronenkanone erzeugt und dann mithilfe elektrischer Felder auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Dieser hochgeschwindige Elektronenstrom wird dann mit Magnetfeldern fokussiert und präzise auf die zu verbindenden Materialien gerichtet.

Wenn die Elektronen die Materialien treffen, wird ihre kinetische Energie in Wärme umgewandelt, was die Metalle zum Schmelzen und Zusammenfließen bringt. Elektronenstrahlschweißen erfolgt generell im Vakuum, da Gasmoleküle den Strahl streuen können.

Wegen der hohen Spannungen beim EB-Schweißen und des erforderlichen Vakuums ist der gesamte Prozess computergesteuert und stark automatisiert. Die präzise Natur der Technologie erfordert oft spezielle Vorrichtungen zum Sichern der Teile zum Fügen, und CNC-Tische werden häufig verwendet, um Vorrichtungen und Werkstücke innerhalb der Schweißkammer zu bewegen.

Elektronenstrahlschweißgeräte sind sehr teuer, müssen engmaschig gewartet werden, und die Unterstützung durch Hochspannungs- und Hochvakuumtechnologien kann anspruchsvoll sein. Allerdings sind Elektronenstrahlschweißnähte unglaublich präzise, fest und rein, der gesamte Prozess ist präzise wiederholbar, und für viele Anwendungen und Materialien ist Elektronenstrahlschweißen die beste Verbindungstechnologie.

Ein typisches Elektronenstrahlschweißverfahren

Obwohl jeder Elektronenstrahlschweißauftrag anders ist, gibt es einen Basisprozess, den wir bei EB Industries befolgen, um sowohl Schweißqualität als auch Produktionsrate zu gewährleisten.

• Die zu montierenden Teile werden gründlich inspiziert und gereinigt;
• Vorrichtungen zum sicheren Halten der Teile während des Schweißprozesses werden entworfen. Wir versuchen, die Anzahl der pro Vakuumzyklus zu schweißenden Teile zu maximieren, um hohe Produktionsraten zu halten. Falls nötig, werden Vorrichtungen in unserer kompletten Werkstatt maßgefertigt;
• Teile werden in ihre Vorrichtungen geladen und die Vorrichtungen am CNC-Tisch des Elektronenstrahlschweißgeräts befestigt. Der CNC-Tisch wird programmiert, um die Teile präzise unter den Elektronenstrahl während des Schweißprozesses zu positionieren;
• Die Vakuumkammer wird verschlossen und die Luft herausgepumpt, um den notwendigen teilweisen oder vollständigen Vakuum gemäß Kundenspezifikation zu erreichen;
• Falls notwendig, werden Testschweißungen durchgeführt, um Strahlausrichtung und -fokus, Strahlleistung, Schweißtiefe und Gesamtqualität zu prüfen. Parameter werden nach Bedarf angepasst und während aller Schweißoperationen kontinuierlich überwacht;
• Bei einem Produktionsschweißzyklus startet der Schweißoperator die CNC-Tischprogrammierung und den Elektronenstrahl-Zündzyklus. Die Teile werden dann elektronengestrahlt geschweißt;
• Am Ende des Schweißzyklus wird die Vakuumkammer abgelassen und die Teile und Vorrichtungen aus dem Schweißgerät entfernt;
• Die Teile werden sorgfältig aus ihren Vorrichtungen entnommen und einer vollständigen Qualitätskontrolle unterzogen.

Funktionsweise des Elektronenstrahlschweißens

Elektronenstrahl (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 mithilfe von Magnetfeldern eng fokussiert und auf die zu verbindenden Materialien angewendet. Der Elektronenstrahl erzeugt kinetische Wärme beim Aufprall auf die Werkstücke, wodurch diese schmelzen und verbinden.

Elektronenstrahlschweißen wird in einer Vakuumumgebung durchgeführt, da die Anwesenheit von Gas den Strahl streuen kann. Da es ein Vakuumprozess ist und hohe Spannungen verwendet werden, ist diese Schweißmethode stark automatisiert und computergesteuert. Daher werden spezielle Vorrichtungen und CNC-Tische verwendet, um die Werkstücke in der Vakuumschweißkammer zu bewegen.

Neuere Entwicklungen in der Elektronenstrahlschweißmaschinentechnologie haben eine lokale Methode des Elektronenstrahlschweißens realisiert, bei der die Elektronenstrahlkanone in einer Vakuumbox an der Seite des zu verbindenden Materials eingeschlossen ist, anstatt das gesamte Werkstück in eine Vakuumkammer zu legen.

Beim Elektronenstrahlschweißen wird das Elektron von der Kathode der Elektronenkanone erzeugt. Nach der Kathode wird ein Wehneltzylinder (Gitter) bereitgestellt. Er verhindert die Divergenz der Elektronen und kontrolliert sie. Aufgrund der hohen Spannung zwischen Kathode und Anode zieht die positiv geladene Anode die Elektronen aus dem Wehneltzylinder an.

Die Anode beschleunigt das Elektron, seine Geschwindigkeit steigt und erreicht 50.000 – 200.000 km/s. Von der Anode wird der hochgeschwindige Elektronenstrahl durch die Magnetlinse und Ablenkeulen geleitet.

Die Magnetlinse fokussiert den Elektronenstrahl auf die gewünschte Stelle am Werkstück. Die Ablenkspulen lenken den Strahl auf den erforderlichen Schweißbereich. Wenn der hochgeschwindige Elektronenstrahl das Werkstück trifft, entsteht intensive Hitze, die das Metall der beiden Werkstücke schmilzt und den Schweißbereich füllt. Der flüssige Schweiß erstarrt und bildet eine feste Schweißverbindung.

Anwendung des Elektronenstrahlschweißens

• Luft- und Raumfahrtindustrie: Fertigung von Düsenkomponenten, Strukturteilen, Getriebeteilen und Sensoren.
• Energieerzeugungsindustrie.
• Raumfahrtindustrie: Bau von Titantanks und Sensoren.
• Automobilindustrie: Fertigung von Getriebesystemen, Zahnrädern und Turboladern.
• Elektro- und Elektronikindustrie: Fertigung von Kupferstrukturbauteilen.
• 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 kleine Wärmeeinflusszone.
• Reinigungskosten vernachlässigbar.
• Schweißt dicke Bleche, Bereich von 0,025 mm bis 100 mm.
• Fähig, unzugängliche Fugen zu schweißen.

Nachteile des Elektronenstrahlschweißens

• Sehr hohe Gerätekosten.
• Hochqualifizierter Bediener erforderlich.
• Hohes Vakuum erforderlich.
• Durch Vakuumbetrieb können große Werkstücke nicht geschweißt werden.
• Hohe Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.