Schweißen – 12 Verfahren erklärt
Schweißen ist ein Fertungsverfahren, bei dem zwei oder mehr Metalle mithilfe von Hitze, Druck oder einer Kombination aus beidem dauerhaft…
Das Elektronenstrahlschweißen ist ein Verfahren, bei dem die Wärme eines hochbeschleunigten Elektronenstrahls genutzt wird, um eine Schweißnaht zu erzeugen. Eine Elektronenkanone erzeugt diesen Strahl mithilfe magnetischer Felder. Die kinetische Energie der Elektronen wird beim Auftreffen auf das Werkstück in Wärme umgewandelt, wodurch das Material schmilzt und eine feste Verbindung entsteht.
Im Folgenden werden zentrale Aspekte erläutert, die das Elektronenstrahlschweißen von anderen Schweißmethoden abheben.
Beim Elektronenstrahlschweißen (EBW) wird ein hochbeschleunigter Elektronenstrahl eingesetzt, um Metalle zu schmelzen und miteinander zu verbinden. Der Strahl kann so fokussiert werden, dass ein sehr kleiner Schweißbereich entsteht – ideal für empfindliche Bauteile oder komplexe Geometrien. Zudem läuft das EBW-Verfahren äußerst schnell ab und zählt somit zu den effizientesten Prozessen im Bereich des Montageschweißens.
Die Maschinen für das Elektronenstrahlschweißen sind technisch anspruchsvoll und erfordern erfahrenes Fachpersonal für optimale Ergebnisse. Das Verfahren bietet jedoch eine breite Durchdringungstiefe, meist von 0,127 mm bis 50 mm bzw. 0,005 bis 2 Zoll (bei bestimmten Materialien auch deutlich mehr), insbesondere bei Verwendung von Zusatzwerkstoffen. Damit hebt sich EBW deutlich von gängigen Schweißtechniken wie MIG, TIG oder Lichtbogenhandschweißen ab. Das EBW-Fusionsschweißverfahren ermöglicht in nur einem Durchgang verzugsarme Verbindungen und das Verschweißen unterschiedlicher Metalle.
Das Grundprinzip des Elektronenstrahlschweißens besteht darin, einen fokussierten Strahl aus hochbeschleunigten Elektronen gezielt in eine Fuge einzubringen. Dieser Prozess findet in der Regel in einer Vakuumkammer statt, um Effizienz und Präzision zu steigern und eine Streuung des Strahls zu verhindern.
Eine Elektronenkanone erhält Hochspannung und erzeugt mit Hilfe von Kathoden, Anoden, Fokussierspulen und Magnetfeldern einen Elektronenstrahl hoher Geschwindigkeit. Die Intensität des Elektronenstrahls ist 100- bis 1000-mal höher als beim Lichtbogenschweißen und ermöglicht dadurch tiefe Durchdringung sowie schmale Wärmeeinflusszonen.
Ähnlich wie beim Plasmaschweißen kann das EBW-Verfahren im Niedrig-, Mittel- und Hochleistungsbereich (sogenannter Keyhole-Modus) betrieben werden. Der Niedrigleistungsmodus wird für äußerst feine Nähte bis zu 20µm eingesetzt. Mittelleistung eignet sich für Nahtstärken von 1 mm bis 20 mm, darüber hinaus kommt Hochleistung zum Einsatz. Im Keyhole-Modus kann Stahl bis zu 300 mm durchschweißt werden; für Materialstärken über 200 mm entstehen dabei stabile und hochwertige Schweißverbindungen.
Jüngste Entwicklungen ermöglichen sogar das lokale Schweißen an Werkstücken, die größer als die Vakuumkammer sind. Dies wird erreicht, indem sich lediglich die Elektronenkanone in einer Vakuumbox befindet, während das Werkstück außerhalb verbleibt.
Die Technologie des Elektronenstrahlschweißens ermöglicht das Verbinden verschiedenster Metalle, auch unterschiedlicher Art, da der Prozess meist im Vakuum abläuft. Hauptsächlich wird EBW bei folgenden Materialien eingesetzt:
Die Hauptkomponenten einer EBW-Anlage sind:
Zu den zentralen Bauteilen einer Elektronenkanone zählen Kathode, Anode, Grid Cup und Fokussiereinheit. Es gibt zwei Typen von Elektronenkanonen. Selbstbeschleunigte Elektronen werden durch das Potential zwischen Kathode und Anode beschleunigt. Werkstück-beschleunigte Elektronen nutzen das Potential zwischen Kathode und Werkstück.
Für das Elektronenstrahlschweißen wird Gleichspannung verwendet: 5-30 Volt bei kleinen Anlagen, 70-150 Volt bei größeren Systemen.
Der Unterdruck für Teilvakuum liegt bei 10^-2 bis 10^-3 mbar, während Hochvakuum einen Bereich von 10^-4 bis 10^-5 mbar nutzt.
Die Vielseitigkeit des EB-Schweißens erlaubt das Verbinden von Metallen mit unterschiedlichen Dicken. Dadurch eignet sich das Verfahren besonders für komplexe Bauteile wie Getriebekomponenten oder kleine elektronische Baugruppen. Auch das Schweißen von Metallen mit abweichenden Schmelzpunkten und Wärmeleitfähigkeiten ist problemlos möglich.
Da das Elektronenstrahlschweißen hochautomatisiert ist, saubere Ergebnisse mit wiederholbarer Präzision und minimalem Verzug liefert, ist meist keine Nachbearbeitung erforderlich. Zu den Branchen, die von diesem Verfahren profitieren, zählen Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Medizintechnik, Nukleartechnik sowie die Öl- und Gasindustrie.
Obwohl die Grundprinzipien von Elektronenstrahl- und Laserschweißen auf den ersten Blick ähnlich erscheinen, gibt es wesentliche Unterschiede, die beide Verfahren einzigartig machen:
Beim EBW wird ein fokussierter Elektronenstrahl eingesetzt, während beim Laserschweißen Photonen zur Wärmeerzeugung genutzt werden.
Beide Verfahren können in einer Vakuumumgebung ablaufen, was das Schmelzbad vor Verunreinigungen durch Luftmoleküle schützt und die Nahtqualität verbessert. Konventionelles Laserschweißen erfolgt jedoch meist unter Atmosphärenbedingungen mit inerten Schutzgasen oder Gasgemischen.
Laserschweißen erfordert hohe Schweißgeschwindigkeiten, da das Grundmaterial verdampft und Dämpfe entstehen. Elektronenstrahlschweißen ermöglicht verschiedene Schweißgeschwindigkeiten und erreicht dennoch tiefe Nähte.
Das Elektronenstrahlschweißen wandelt etwa 85 % der eingesetzten elektrischen Energie in nutzbare Wärme um. Im Vergleich dazu liegt der Wirkungsgrad des Laserschweißens – trotz moderner Technik – lediglich bei bis zu 40 %.
