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Elektronenstrahl-Schweißen: Schlanke Nähte & zuverlässige Verbindungen
Beschreibung
Beschreibung
Das Elektronenstrahlverfahren erzeugt extrem zuverlässig tiefe, gleichzeitig schmale und parallele Schweißnähte. Winkelverzug und Querschrumpfung sowie andere störende Einwirkungen beim Schweißen sensibler Komponenten sind minimal.
Anwendungsmöglichkeiten
Das Spektrum seiner Anwendungsmöglichkeiten reicht vom Schweißen feinster Folien bis zum Fügen von Werkstücken mit mehr als 100 mm Wanddicke in einem einzigen Arbeitsgang. Hierbei ist fast das komplette Spektrum der metallischen Werkstoffe und viele Kombinationen unter diesen Werkstoffen schweißbar.
Mehrwert
Bei der Konstruktion von mechanischen Bauteilen besteht ein hohes Kosteneinsparungspotential durch alternative Bauteilgestaltung. Aufgrund der hohen Schweißgeschwindigkeiten erreicht das Elektronenstrahlverfahren eine hohe Produktivität bei der Großserienfertigung im Elektro- und Automobilbau. Für die Bearbeitung von Einzelteilen und Kleinserien aus z.B. Luft- und Raumfahrt, Schiffbau oder Bahntechnik besticht die Präzision und Reproduzierbarkeit des Elektronenstrahls, da diesem verfahrensbedingt elektronische Mess-, Regel- und Steuergrößen zur Verfügung stehen und damit eine optimale Voraussetzungen für einen automatisierten Fertigungsablauf besitzt.
Unsere Stärken sind Ihr Nutzen:
Sichere Schweißtechnik, Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit.
Anwendungsmöglichkeiten
Das Spektrum seiner Anwendungsmöglichkeiten reicht vom Schweißen feinster Folien bis zum Fügen von Werkstücken mit mehr als 100 mm Wanddicke in einem einzigen Arbeitsgang. Hierbei ist fast das komplette Spektrum der metallischen Werkstoffe und viele Kombinationen unter diesen Werkstoffen schweißbar.
Mehrwert
Bei der Konstruktion von mechanischen Bauteilen besteht ein hohes Kosteneinsparungspotential durch alternative Bauteilgestaltung. Aufgrund der hohen Schweißgeschwindigkeiten erreicht das Elektronenstrahlverfahren eine hohe Produktivität bei der Großserienfertigung im Elektro- und Automobilbau. Für die Bearbeitung von Einzelteilen und Kleinserien aus z.B. Luft- und Raumfahrt, Schiffbau oder Bahntechnik besticht die Präzision und Reproduzierbarkeit des Elektronenstrahls, da diesem verfahrensbedingt elektronische Mess-, Regel- und Steuergrößen zur Verfügung stehen und damit eine optimale Voraussetzungen für einen automatisierten Fertigungsablauf besitzt.
Unsere Stärken sind Ihr Nutzen:
Sichere Schweißtechnik, Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit.
Einsatzbereiche
Einsatzbereiche
Elektronenstrahlschweißtechnik wird in fast allen Branchen und zur Lösung sowohl standardisierter als auch technisch anspruchsvoller Schweißaufgaben eingesetzt.
Automobilindustrie: Große Stückzahlen bei hoher Wirtschaftlichkeit z.B. der gesamte Antriebsstrang (Motor, Getriebe) (Bild 1).
Luft- und Raumfahrttechnik: Anspruchsvolle Spezialanwendungen, wie Hubschrauber-Komponenten (Bild 2) oder Satellitentanks.
Energie-& Elektrotechnik: Hohe Stückzahlen mit Werkstoffen wie Kupfer und weiteren Kontaktmaterialien z.B. Leistungsschalten (Bild 3).
Bahn & Schiffbau und Medizintechnik: Sicherheit der Fügeverbindung, z.B. Kupplung am ICE (Bild 4) und das Fügen von Implantaten (Bild 5).
Anlagen- & Maschinenbau und Lebensmittelindustrie: Klein- und mittelgroße Stückzahlen mit einem breiten Spektrum an Edelstählen und deren Kombination. Bauteilgrößen können hier bis zu einem Bauteilgewicht von 50 t mit dem Elektronenstrahl geschweißt werden.
Forschung und Entwicklung: Anspruchsvolle Aufgaben, mit ausgefallenen Werkstoffen von Wolfram bis Platin, werden in aufwendigen Konstruktionen realisiert.
Automobilindustrie: Große Stückzahlen bei hoher Wirtschaftlichkeit z.B. der gesamte Antriebsstrang (Motor, Getriebe) (Bild 1).
Luft- und Raumfahrttechnik: Anspruchsvolle Spezialanwendungen, wie Hubschrauber-Komponenten (Bild 2) oder Satellitentanks.
Energie-& Elektrotechnik: Hohe Stückzahlen mit Werkstoffen wie Kupfer und weiteren Kontaktmaterialien z.B. Leistungsschalten (Bild 3).
Bahn & Schiffbau und Medizintechnik: Sicherheit der Fügeverbindung, z.B. Kupplung am ICE (Bild 4) und das Fügen von Implantaten (Bild 5).
Anlagen- & Maschinenbau und Lebensmittelindustrie: Klein- und mittelgroße Stückzahlen mit einem breiten Spektrum an Edelstählen und deren Kombination. Bauteilgrößen können hier bis zu einem Bauteilgewicht von 50 t mit dem Elektronenstrahl geschweißt werden.
Forschung und Entwicklung: Anspruchsvolle Aufgaben, mit ausgefallenen Werkstoffen von Wolfram bis Platin, werden in aufwendigen Konstruktionen realisiert.
Prozess
Prozess
Beim Elektronenstrahlschweißen wird die benötigte Energie durch (von Hochspannung (60–150 kV) beschleunigten) Elektronen in die Prozesszone eingebracht. Die Strahlbildung erfolgt immer im Vakuum . Der Schweißvorgang wird meist im Vakuum ausgeführt, bei manchen Anlagen an der Atmosphäre. Beim Aufprall der Elektronen auf das Werkstück setzen diese einen Großteil ihrer kinetischen Energie in Wärme um.
Die Energiedichte beträgt im Brennfleckdurchmesser von unter 0,1 mm bis 2 mm im Bereich 105 bis 109 W/cm2. Das Elektronenstrahlschweißen bietet eine etwa gleich große Leistungsflussdichte wie das Laserstrahlschweißen bei deutlich höherem Wirkungsgrad (Laser: 3–14 %, Elektronenstrahl: ca. 70 %). Es sind hohe Schweißgeschwindigkeiten mit extrem tiefen und schmalen Nähten möglich. Durch die geringen Nahtbreiten kann der Verzug sehr klein gehalten werden. Beim Schweißen kleiner Schweißnähte kommt das Verfahren zum Einsatz, da der Elektronenstrahl durch angelegte elektrische Felder exakt abgelenkt werden kann. Das Spektrum möglicher Nahttiefen liegt zwischen 0,3 mm und 300 mm (Aluminium), bei Stahl 150 mm. Die hohe Energiedichte erlaubt das Verschweißen aller, auch höchstschmelzender, Metalle sowie die Herstellung von Mischverbindungen durch das Verschweißen verschiedener Materialien, z. B. von Stahl und Bronze.
Elektronenstrahlschweißanlagen werden häufig in der Massenfertigung von Getriebebauteilen in der Automobilindustrie eingesetzt (vor allem Japan und Deutschland). Neben simplen, preisgünstigen Lohnaufträgen werden auch Bauteile für die Luft- und Raumfahrt, den Schienenverkehr und die Nahrungsmittelindustrie elektronenstrahlgeschweißt.
Beim Eindringen in Materie werden Elektronen abgebremst und geben ihre Bewegungsenergie größtenteils in Form von Wärme ab.
Der Tiefschweißeffekt entsteht dabei folgendermaßen:
Ein Elektron nach dem anderen trifft auf der Oberfläche des Werkstücks auf und erhitzt diese punktuell. Bei Energiedichten oberhalb von ca. 106 W/cm2 verdampft das geschmolzene Material im Zentrum des soge-nannten Brennflecks.
Dabei entsteht eine Kapillare aus Dampf, die von flüssigem Material umgeben ist. Sie erlaubt dem Strahl, tiefer vorzudringen und wieder festes Material aufzuschmelzen.
Wird das Werkstück relativ zum Strahl bewegt, so schmilzt das Material vor dem Strahl auf, fließt um die Dampfkapillare herum und erstarrt auf ihrer Rückseite.
Durch den Tiefschweißeffekt können schlanke Schweißnähte mit Tiefen von mehr als 100 mm erzeugt werden (Bild Tiefschweißung in Aluminium (150 mm). Ein Schachtverhältnis von Tiefe zu Breite der Naht von bis zu 50:1 ist dabei erreichbar. 
Die hohe Energiedichte erlaubt das Schweißen aller, auch höchstschmelzender, Metalle sowie die Herstellung von Mischverbindungen durch das Verschweißen verschiedener Materialien, z.B. von Stahl und Bronze (Bild Typische Tiefschweißung in Bronze/Stahl (20 mm)).
So gelingt es pro-beam mit Hilfe des Elektronenstrahlverfahrens, Aluminium-Druckgussteile sicher zu verbinden. Reste von Trennmitteln, die im Material als Gas eingeschlossen sind, können langsam austreten, ohne dass es zur gefürchteten explosionsartigen Ausdehnung der Gase kommt.
Die Bildung von Heißrissen bei hochfesten Nickellegierungen lässt sich in vielen Fällen durch gezielt versetztes Wärmen kontrollieren. 
Durch den Einsatz der pro-beam Mehrbadtechnik können mit einem Elektronenstrahl gleichzeitig bis zu sechzig Schweißnähte erzeugt werden. Das Schweißen der Axialnaht an einem Schaltrad erfolgt mit drei Bädern (Dreibadtechnik zum Schweißen eines Schaltrades.) .
Dieses Vorgehen minimiert den Verzug und verkürzt die Schweißzeit um zwei Drittel. Außerdem kann auf teure Spanntechnik und Heftschweißungen verzichtet werden. Die Abweichungen von Rundlauf und Planschlag sind in diesem Beispiel kleiner als fünf Hundertstel Millimeter.
Die Energiedichte beträgt im Brennfleckdurchmesser von unter 0,1 mm bis 2 mm im Bereich 105 bis 109 W/cm2. Das Elektronenstrahlschweißen bietet eine etwa gleich große Leistungsflussdichte wie das Laserstrahlschweißen bei deutlich höherem Wirkungsgrad (Laser: 3–14 %, Elektronenstrahl: ca. 70 %). Es sind hohe Schweißgeschwindigkeiten mit extrem tiefen und schmalen Nähten möglich. Durch die geringen Nahtbreiten kann der Verzug sehr klein gehalten werden. Beim Schweißen kleiner Schweißnähte kommt das Verfahren zum Einsatz, da der Elektronenstrahl durch angelegte elektrische Felder exakt abgelenkt werden kann. Das Spektrum möglicher Nahttiefen liegt zwischen 0,3 mm und 300 mm (Aluminium), bei Stahl 150 mm. Die hohe Energiedichte erlaubt das Verschweißen aller, auch höchstschmelzender, Metalle sowie die Herstellung von Mischverbindungen durch das Verschweißen verschiedener Materialien, z. B. von Stahl und Bronze.
Elektronenstrahlschweißanlagen werden häufig in der Massenfertigung von Getriebebauteilen in der Automobilindustrie eingesetzt (vor allem Japan und Deutschland). Neben simplen, preisgünstigen Lohnaufträgen werden auch Bauteile für die Luft- und Raumfahrt, den Schienenverkehr und die Nahrungsmittelindustrie elektronenstrahlgeschweißt.
Weitere Informationen
Tiefschweißeffekt
Beim Eindringen in Materie werden Elektronen abgebremst und geben ihre Bewegungsenergie größtenteils in Form von Wärme ab. Der Tiefschweißeffekt entsteht dabei folgendermaßen:
Ein Elektron nach dem anderen trifft auf der Oberfläche des Werkstücks auf und erhitzt diese punktuell. Bei Energiedichten oberhalb von ca. 106 W/cm2 verdampft das geschmolzene Material im Zentrum des soge-nannten Brennflecks.
Dabei entsteht eine Kapillare aus Dampf, die von flüssigem Material umgeben ist. Sie erlaubt dem Strahl, tiefer vorzudringen und wieder festes Material aufzuschmelzen.
Wird das Werkstück relativ zum Strahl bewegt, so schmilzt das Material vor dem Strahl auf, fließt um die Dampfkapillare herum und erstarrt auf ihrer Rückseite.
Durch den Tiefschweißeffekt können schlanke Schweißnähte mit Tiefen von mehr als 100 mm erzeugt werden (Bild Tiefschweißung in Aluminium (150 mm). Ein Schachtverhältnis von Tiefe zu Breite der Naht von bis zu 50:1 ist dabei erreichbar.
Prozessparameter
Der Elektronenstrahl lässt sich präzise beherrschen. Alle Prozessparameter können einfach und direkt als elektrische Größen gemessen und geregelt werden.
Die Messung elektrischer Ströme ist einfacher als die Messung von Licht und optischen Größen Innovative Ablenkverfahren und schnelle CNC-Steuerungssysteme eröffnen neue Möglichkeiten zur Bearbeitung von Werkstoffen.
Von den präzisen Einstellmöglichkeiten profitieren alle Anwendungen des Elektronenstrahls:
Durch einfache und verlässliche Messungen lassen sich alle Einstellparameter des Strahls exakt aufzeichnen und leicht reproduzieren. Eine direkte Rückkopplung in den Regelkreis ist machbar. Die Ausrichtung des Elektronenstrahls auf die Bearbeitungsstelle kann dadurch sowohl manuell als auch vollautomatisch erfolgen und ist einfach zu handhaben.
Die Messung elektrischer Ströme ist einfacher als die Messung von Licht und optischen Größen Innovative Ablenkverfahren und schnelle CNC-Steuerungssysteme eröffnen neue Möglichkeiten zur Bearbeitung von Werkstoffen.
Von den präzisen Einstellmöglichkeiten profitieren alle Anwendungen des Elektronenstrahls:
Durch einfache und verlässliche Messungen lassen sich alle Einstellparameter des Strahls exakt aufzeichnen und leicht reproduzieren. Eine direkte Rückkopplung in den Regelkreis ist machbar. Die Ausrichtung des Elektronenstrahls auf die Bearbeitungsstelle kann dadurch sowohl manuell als auch vollautomatisch erfolgen und ist einfach zu handhaben.
Zulässiger Spalt
Die maximal zulässige Spaltbreite liegt bei einem bis fünf Prozent der Schweißtiefe, jedoch maximal bei 0,3 mm. Abweichungen von diesen Werten müssen im konkreten Anwendungsfall geprüft werden.
Größere Spalte sind sind nur mit abstrichen in der Schweißnahtqualität (Nahteinfall) oder mit Zugabe von Zusatzwerkstoff schweißbar. Beides ist in der Regel aus technischer bzw. kaufmännischer Sicht nicht gewünscht.
Größere Spalte sind sind nur mit abstrichen in der Schweißnahtqualität (Nahteinfall) oder mit Zugabe von Zusatzwerkstoff schweißbar. Beides ist in der Regel aus technischer bzw. kaufmännischer Sicht nicht gewünscht.
Konstruktion
Das Elektronenstrahlverfahren eröffnet Ihnen als Konstrukteur bei Fügeproblemen ungeahnte Freiheiten. Die Optimierung der verwendeten Materialien erlaubt den Einsatz kostengünstiger Produktionsverfahren. Denn das Arbeiten mit dem Elektronenstrahl garantiert nicht nur Verzugsarmut und höchste Präzision.
Der Einsatz des Elektronenstrahls im Mehrstrahlprozess überwindet auch Grenzen, die anderen Schweißverfahren gesetzt sind:
Beim Schweißen ist der Elektronenstrahl gegenüber dem Laser im Vorteil, wenn innerhalb enger Toleranzen gefertigt werden muss, das Werkstück nicht zu heiß werden darf oder sehr große Schweißtiefen gefordert sind. Da viele Werkstücke aus einzelnen Komponenten gefügt werden können, ist es oft möglich, teure Werkstoffe durch kostengünstigere zu ersetzen. Eine intelligente Schweißkonstruktion kann daher teure Zerspanungs- oder Erodierarbeit an anderer Stelle überflüssig machen.
Der Einsatz des Elektronenstrahls im Mehrstrahlprozess überwindet auch Grenzen, die anderen Schweißverfahren gesetzt sind:
Beim Schweißen ist der Elektronenstrahl gegenüber dem Laser im Vorteil, wenn innerhalb enger Toleranzen gefertigt werden muss, das Werkstück nicht zu heiß werden darf oder sehr große Schweißtiefen gefordert sind. Da viele Werkstücke aus einzelnen Komponenten gefügt werden können, ist es oft möglich, teure Werkstoffe durch kostengünstigere zu ersetzen. Eine intelligente Schweißkonstruktion kann daher teure Zerspanungs- oder Erodierarbeit an anderer Stelle überflüssig machen.
Werkstoffe
Die hohe Energiedichte erlaubt das Schweißen aller, auch höchstschmelzender, Metalle sowie die Herstellung von Mischverbindungen durch das Verschweißen verschiedener Materialien, z.B. von Stahl und Bronze (Bild Typische Tiefschweißung in Bronze/Stahl (20 mm)).So gelingt es pro-beam mit Hilfe des Elektronenstrahlverfahrens, Aluminium-Druckgussteile sicher zu verbinden. Reste von Trennmitteln, die im Material als Gas eingeschlossen sind, können langsam austreten, ohne dass es zur gefürchteten explosionsartigen Ausdehnung der Gase kommt.
Die Bildung von Heißrissen bei hochfesten Nickellegierungen lässt sich in vielen Fällen durch gezielt versetztes Wärmen kontrollieren.
Mehrbadtechnik
Durch den Einsatz der pro-beam Mehrbadtechnik können mit einem Elektronenstrahl gleichzeitig bis zu sechzig Schweißnähte erzeugt werden. Das Schweißen der Axialnaht an einem Schaltrad erfolgt mit drei Bädern (Dreibadtechnik zum Schweißen eines Schaltrades.) .Dieses Vorgehen minimiert den Verzug und verkürzt die Schweißzeit um zwei Drittel. Außerdem kann auf teure Spanntechnik und Heftschweißungen verzichtet werden. Die Abweichungen von Rundlauf und Planschlag sind in diesem Beispiel kleiner als fünf Hundertstel Millimeter.
Videos
Videos
Schweißen in Mehrbadtechnik:
Links:
Schweißen eines Getrieberads in Dreibadtechnik.
1 Strahl, gleichzeitiges Schweißen an 3 Stellen
(120° versetzt).
Rechts:
60-Strahl-Schweißung eines Rußpartikelfilters
Qualitätssicherung
Qualitätssicherung
Da alle wichtigen Parameter auf elektrischen Stellgrößen basieren, verfügt der Elektronenstrahl über die Möglichkeit zur exakten Erfassung und Regelung seiner Prozessabläufe. Moderne Elektronenstrahlmaschinen sind heute in der Lage ihre Strahlqualität zu überwachen und zu steuern.
Eine exakte Strahlpositionierung über elektronenoptische Fugenerkennung als wichtigstes Bindeglied zum Bauteil ist vollautomatisch auszuführen. Aufwendige Nebenprozesse, wie z.B. die Vorwärmung des Fügebereiches kann mit dem Strahl erfolgen und damit in den CNC-Ablauf voll integriert werden.
Die Prozesskontrolle auf bestimmte Fehlerarten ist bereits erprobt. Die klassische Parametererfassung stellt aber, nach wie vor, den Schwerpunkt in der Dokumentation des Prozesses dar.
Darüber hinaus ist die Elektronenoptik einsetzbar um eine Bewertung der Oberraupe auf Lage und Beschaffenheit auszuführen.
Aus Dokumentationsgründen werden heute immer mehr Bauteile beschriftet. Dieses erfolgt mit dem gleichen Strahl der zuvor die Schweißnaht ausgeführt hat.
Eine exakte Strahlpositionierung über elektronenoptische Fugenerkennung als wichtigstes Bindeglied zum Bauteil ist vollautomatisch auszuführen. Aufwendige Nebenprozesse, wie z.B. die Vorwärmung des Fügebereiches kann mit dem Strahl erfolgen und damit in den CNC-Ablauf voll integriert werden.
Die Prozesskontrolle auf bestimmte Fehlerarten ist bereits erprobt. Die klassische Parametererfassung stellt aber, nach wie vor, den Schwerpunkt in der Dokumentation des Prozesses dar.
Darüber hinaus ist die Elektronenoptik einsetzbar um eine Bewertung der Oberraupe auf Lage und Beschaffenheit auszuführen.
Aus Dokumentationsgründen werden heute immer mehr Bauteile beschriftet. Dieses erfolgt mit dem gleichen Strahl der zuvor die Schweißnaht ausgeführt hat.