Elektronenstrahlschweißen: Technologie, Ausrüstung, Funktionen und Funktionsprinzip

Dieses Schweißverfahren wurde erstmals 1958 eingeführt. Elektronenstrahlschweißen ermöglicht das Zusammenschweißen von Metallen. Beim Elektronenstrahlschweißen werden zwei Metalle an ihrer Verbindungsstelle miteinander verbunden. Es wird im Vakuum durchgeführt und schweißt Teile unterschiedlichster Bauart und Größe. Dabei entsteht eine hochglanzpolierte Schweißnaht.

Die kinetische Energie der Elektronen, die in einem Elektronenstrahl gesammelt werden, der von einem speziellen Gerät erzeugt wird, wird zum Verbinden von Metallen genutzt. Das Metall wird mit einem gepulsten Strahl geschweißt. Dieser Strahl hat eine sehr hohe Energiedichte und die Pulsfrequenz liegt zwischen 100 und 500 Hz. Er wird zum Schweißen flüchtiger Metalle wie Magnesium und Aluminium verwendet. Mit diesen Parametern erhöht sich die Eindringtiefe. Metalle unterschiedlicher Dicke können geschweißt werden, wobei Metallart, Dicke und Struktur stets berücksichtigt werden müssen.

Auch dünne Bleche lassen sich erfolgreich verbinden. Vor dem Schweißvorgang wird jedoch ein Testlauf durchgeführt, um das richtige Pausen-Puls-Verhältnis zu ermitteln. Die Wärmeableitung während der Pausen trägt dazu bei, die Größe der Wärmeeinflusszone zu reduzieren. Beim Schweißen kleiner Teile ist es entscheidend, dass der Strahl die schmale Nahtbreite präzise trifft. Daher wird die Strahlposition zunächst an einem Prüfling überprüft. Der Strahl muss die zu verbindende Naht präzise treffen, weder zu tief noch zu hoch, da sonst die Verbindung kein qualitativ hochwertiges Ergebnis liefert. Die Strahlparameter werden durch ein Prozessexperiment überprüft. Anschließend erfolgt das Serienschweißen aller benötigten Teile.

Beim Elektronenstrahlschweißen wird der Strahl selbst oder das Werkstück mithilfe eines Ablenksystems bewegt. Dieses System ermöglicht es dem Strahl, über und entlang der Schweißnaht sowie entlang komplexerer Bahnen zu schwingen. Es stehen Niederspannungs- und Hochspannungsgeräte zur Verfügung. Niederspannungsgeräte werden zum Schweißen von Metalldicken ab 0,5 mm verwendet, während Hochspannungsgeräte für dickeres Metall verwendet werden.

Das beim Elektronenstrahlschweißen erzeugte Vakuum reduziert den kinetischen Energieverlust der Elektronen durch Kollisionen mit Luftmolekülen erheblich und bietet thermischen und chemischen Schutz für die Kathode in der Elektronenkanone. Das Vakuum beträgt etwa 10-4 bis 10-6 mmHg. Die Metalldurchdringung erfolgt hauptsächlich aufgrund des Drucks des Elektronenstrahls, der im festen Metall freigesetzten Wärme und des starken Drucks des verdampfenden Metalls. Qualität und Art der Strahlbearbeitung hängen von den thermophysikalischen Eigenschaften des Materials, den Strahlparametern und der Pulsdauer ab, sind jedoch unabhängig von den mechanischen Eigenschaften des Materials. Daher können Quarz, Keramik und Edelsteine durch Elektronenstrahlschweißen bearbeitet werden. Es wird erfolgreich zum Schweißen von hochschmelzenden Metallen sowie von Metallen eingesetzt, die in der Flugzeug- und Instrumentenindustrie verwendet werden. Je nach Größe der Vakuumkammer ist es möglich, dicke Teile zu verbinden.

Vorteile des Elektronenstrahlschweißens:

• Es ist möglich, Teile mit einer Dicke von 0,1 bis 200 mm in einem Durchgang zu schweißen, unter anderen Bedingungen sogar dickere Teile;
• Das Verfahren ist kostengünstig und benötigt 10-15 Mal weniger Energie als Lichtbogenschweißen.
• es gibt keine Gassättigung des Metalls, was der Schweißnaht Festigkeit verleiht;
• hochwertige Schweißnähte, tiefe Metalldurchdringung.

Nachteile dieser Schweißart:

• an der Nahtwurzel befindet sich manchmal eine nicht ausreichend gegarte Naht;
• Aufsatz an der Arbeitskammer, um ein Vakuum zu erzeugen.