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Arbeitsabstand

Als Arbeitsabstand wird der Abstand zwischen Werkstückoberfläche und einem Referenzpunkt, z.B. Kammerdecke oder Unterkante des Strahlgenerators bezeichnet  (Fokusabstand). Je kürzer der Arbeitsabstand, desto kleiner ist der Fokusdurchmesser und desto größer die Leistungsdichte im Fokus. Die Beeinflussung des Strahlgenerators durch Spritzer und Metalldampf nimmt mit kürzer werdendem Arbeitsabstand zu.

Atmosphäre-Schweißmaschine / NonVac-Anlage

Bei einer NonVac-Anlage wird das Werkstück an Atmosphäre geschweißt, dadurch entfällt die Evakuierzeit. Der Elektronenstrahl-Generator wird mit zusätzlichen Druckstufen ausgestattet, um das erforderliche Hochvakuum im Strahlerzeuger zu halten. Bei einer NonVac- Anlage werden hohe Schweißgeschwindigkeiten erzielt. Die möglichen Arbeitsabstände beim Schweißen sind sehr gering (ca. 20 mm), was zu starker Verschmutzung der Austrittsdüse führt. Um die Reichweite der Elektronen an Atmosphäre zu erhöhen wird zwischen Austrittsdüse und Werkstück mit Helium gespült. Der Elektronenstrahl-Generator wird üblicherweise der Werkstückkontur nachgeführt.

Auftragen und Beschichten

Auf die kalte oder vorgewärmte Randschicht eines Werkstoffes wird mit dem Elektronenstrahl ein Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen (aufgeschweißt), der vorher aufgetragen wurde oder während des Prozesses in Form von Pulver, Draht oder Band zugeführt wird. Dabei dringt der Zusatzwerkstoff nicht oder teilweise in die Randschicht des Bauteils ein.

Axialnaht

Als Axialnähte werden Nähte parallel zur Rotationsachse des Schweißteils bezeichnet. Die beim Erkalten des Schweißbades entstehenden Schrumpfspannungen sind bei Axialnähten schrumpfbehindert und führen zu hohen Eigenspannungen im Bauteil, die materialabhängig zu Rissen führen können. Wenn die Konstruktion es zulässt, ist deshalb eine Radialnaht zu bevorzugen.

Beschichten und auftragen

Auf die kalte oder vorgewärmte Randschicht eines Werkstoffes wird mit dem Elektronenstrahl ein Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen (aufgeschweißt), der vorher aufgetragen wurde oder während des Prozesses in Form von Pulver, Draht oder Band zugeführt wird. Dabei dringt der Zusatzwerkstoff nicht oder teilweise in die Randschicht des Bauteils ein.

Bildauswertung

Über rückgestreute Elektronen (elektronoptisches Einblicksystem) wird ein Bild erzeugt. Eine hinterlegte Kontur wird mit den empfangenen und ausgewerteten
Daten verglichen und per Software die entsprechenden Korrekturen vorgenommen. Beispiel: es soll ein Kreis geschweißt werden dessen Position toleranzbehaftet abweichen kann. Über die Bildauswertung wird der aktuelle Mittelpunkt erfasst und an die Steuerung weitergegeben.

Der Elektronenstrahl als Werkzeug

Der Elektronenstrahl ist ein thermisches Werkzeug, welches aus auf hohe Geschwindigkeit beschleunigten Elektronen besteht, in einem Vakuum auf Materie auftrifft und dabei seine Energie an das Metallgitter abgibt. Dieses thermische Werkzeug ermöglicht verschiedene Bearbeitungen wie Bohren, Schweißen und Härten. 

Doppelkammernmaschine

Die Doppelkammermaschine besitzt zwei nebeneinander liegende Vakuumkammern, die abwechselnd beladen werden bzw. geschweißt wird. Dadurch werden die Nebenzeiten reduziert. Die Maschine ist mit nur einem Elektronenstrahl Generator ausgestattet, der verschiebbar oder schwenkbar den Elektronenstrahl in die jeweils zum Schweißen bestückte Kammer leitet.
Vorteil: sehr produktives und flexibles System

Durchschweißung

Beim Durchschweißen tritt ein Teil der Elektronen auf der Rückseite des Werkstückes wieder aus. Typischerweise ca. 20 %.  Dabei entsteht je nach Parametereinstellung eine „schlanke“ oder „breite“ Schweißnaht. Am Anfand der Schweißnaht ergibt sich eine Materialanhäufung, am Ende entsteht ein Krater. Ursache ist der durch den Tiefschweißprozess hervorgerufene Materialtransport.
Durchschweißungen von bis zu 200 mm in Stahl und 300 mm in Aluminium sind bei ausreichender Strahlleistung möglich.

Einschweißung

Beim Einschweißen wird die Schmelztiefe innerhalb der zu fügenden Bauteile vorgegeben.
Dabei entsteht ein Schmelzbad, das je nach Material und Parametervorgabe in seiner Form veränderbar ist. Ein Schmelzbad wird definiert durch:

  • Schweißnahtbreite
  • Schweißnahttiefe
  • Schweißnahtform


Bei modernen Elektronenstrahl-Anlagen können alle Schweißparameter sowohl digital von Hand eingegeben werden oder numerisch programmiert abgerufen werden, sodass die Einschweißungen jederzeit reproduzierbar erfolgen.
Die Einschweißtiefe ist von Strahlleistung, Fokuslage zum Werkstück, Arbeitsabstand, Vorschubgeschwindigkeit und Material abhängig.

Elektronen

Elektronen sind elementare Bestandteile der Materie, in der Regel sind sie jedoch fest an Atome gebunden. Unter Energiezufuhr lassen sie sich aus der Atomhülle lösen.
An einer geheizten Kathode erzeugt man zunächst eine Wolke freier Elektronen. Diese werden mit Spannungen zwischen 30 und 200 kV zur Anode hin beschleunigt. Geeignet angeordnete Steuergitter und elektromagnetische Linsen formen aus den freien Elektronen einen fokussierten Strahl elektrisch geladener Teilchen.
Die Elektronen in einem Strahlgenerator erreichen eine Geschwindigkeit zwischen einem und zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit.

Elektronenoptisches Einblicksystem

Das elektronoptische Einblicksystem basiert auf dem Prinzip des Elektronenmikroskops.
Das System wertet rückgestreute Elektronen eines über die Oberfläche des Werkstücks gescannten Elektronenstrahls geringer Leistung aus und erstellt ein monochromes Bild.
Durch die hohe Auflösung können Fügestellen, die mit dem >lichtoptischen Einblicksystem manchmal schlecht erkennbar sind, gut lokalisiert werden. Eine Auswerteelektronik ermöglicht den Verlauf der Fügegeometrie zu speichern und bei Bedarf automatisch abzuschweißen. Häufig wird mit einer hinterlegten Fügekontur ein Soll-Ist-Wertvergleich mit dem zu schweißenden Bauteil unter Nutzung des elektronischen Einblicksystems vorgenommen. Die erfasste Abweichung wird über die CNC-Steuerung beim Schweißen korrigiert.

Elektronenstrahl-Quelle

Der Aufbau einer Elektronenstrahl-Quelle entspricht dem Prinzip einer Trioden-Röhre. Aus einer direkt oder indirekt beheizten Katode treten im Vakuum durch thermische Emission Elektronen aus. Zwischen Katode und Anode wird eine wie oben beschriebene Hochspannung angelegt. Den Abstand von Katode zu Anode nennt man hierbei die Beschleunigungsstrecke. Zwischen Katode und Anode liegt das gegenüber der Katode negativ geladene Steuergitter, Wehnelt genannt. Mit ihm kann der Strahlstrom in seiner Intensität gesteuert werden oder gesperrt werden. Wichtiges Element ist weiterhin der Isolator, der die Überschlagsfestigkeit und die Wärmeabfuhr der Kathodenheizung sicherstellen muss.

Elektronenstrahlmaschinen

Die verschiedenen Maschinentypen sind in Größe und Bewegungseinrichtung, in Strahlleistung und in ihrer Steuerungstechnik angepasst an Art und Menge der zu schweißenden Bauteile. Die erforderliche Vakuumtechnik richtet sich nach den zu schweißenden Materialien und nach der geforderten Taktzeit.
Dementsprechend gibt es Universalmaschinen mit einem breiten Einsatzspektrum und Spezialmaschinen für alle Anwendungsfälle. Neben handbedienten Anlagen gibt es solche mit bis zu 16 CNC-Achsen.

Fokusabstand

Als Fokusabstand wird der Abstand zwischen Werkstückoberfläche und Mitte der Fokussierlinse bezeichnet (Arbeitsabstand)

Fokussieren

Aus der Strahlquelle treten leicht divergente Elektronenstrahlen aus. Um die benötigte Leistungsdichte eines Elektronenstrahls zu erreichen muss er über ein elektromagnetisches Linsensystem fokussiert werden. (Justieren)

Härten

Beim Elektronenstrahl-Härten wird der Werkstoff mit dem Elektronenstrahl bis zu einer Tiefe von 2 mm auf eine Temperatur kurz unterhalb der Schmelztemperatur erhitzt. Dabei wird die Temperatur je nach gewünschter Einhärtetiefe bis zu einigen Sekunden gehalten. Danach wird die Wärmezufuhr abgebrochen und der Werkstoff kühlt durch Selbstabschreckung in das benachbarte kalte Material sehr rasch ab. Dadurch entsteht eine „martensitische Umwandlung“. Die Härtetiefe ergibt sich aus Vorschubgeschwindigkeit bzw. Haltezeit und Wärmeleitfähigkeit des zu härtenden Materials. Umwandlungshärtbare Werkstoffe sind insbesondere Stahl und Gusseisen mit einem Kohlenstoffgehalt > 0,25%.

Hochspannung

Der Elektronenstrahl besteht aus, in einem elektrischen Feld, beschleunigten Teilchen - den Elektronen. Die Beschleunigungsspannung wird in der Praxis in drei Bereiche unterteilt:
Niederspannung: < 60    kV
Mittelspannung: 60-90  kV
Hochspannung: 90-150kV
Der Aufbau eines Elektronenstrahl-Generators entspricht dem Prinzip einer Braunsche Röhre. Aus einer beheizten Kathode treten im Vakuum durch thermische Emission Elektronen aus. Zwischen Kathode und Anode wird eine wie oben beschriebene Hochspannung angelegt. Der Abstand von Kathode zu Anode nennt man hierbei die Beschleunigungsstrecke.
Die Hochspannung beeinflusst nicht nur die Leistung des Strahls, sondern auch die Brennweite, so dass ihre Konstanz (Hochspannungsbrumm, Langzeitstabilität) ein wichtiges Kriterium für die Güte einer Elektronenstrahl-Maschine ist

I-Naht

Die I-Naht wird am stumpfen Stoß geschweißt und ist die häufigste Nahtform.
I-Naht am Stumpfstoß, Eckstoß

Justieren

Um reproduzierbare und optimierte Schweißergebnisse zu erzielen muss der Elektronenstrahl justiert werden. Dazu besitzt der Elektronenstrahl-Generator drei elektro-magnetische Systeme: Fokussier-, Zentrier- und Stigmatisier-Spulen. Die drei Justierschritte können sowohl von Hand als auch vollautomatisch reproduzierbar durchgeführt und für die Qualitätssicherung als Protokoll gespeichert werden.

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