Electron Beam

Andreas Mühlbauer,

Schweißen mit Elektronen

Das Schweißen mit Elektronenstrahlen ist in vielen Fällen eine praktikable Alternative zu konventionellen Schweißtechniken. Das Verfahren ist schnell, präzise und flexibel. Es eignet sich insbesondere für Bauteile mit großen Abmessungen. 

Aus zwei 70 mm dicken Aluminiumplatten schweißt Pro-beam eine Ronde mit 6 m Durchmesser. Das Bauteil dient später als Komponente für einen Treibstofftank der Ariane-5-Weltraumrakete. © Pro-Beam

Rund zwanzig Schritte sind es bei einem Triebwerkstart vom Cold-and-Dark-Zustand bis zur Betriebsbereitschaft. External Power on, Battery-Check, Flight Control ein, Treibstoffpumpen ein – dann schießt Kerosin mit hohem Druck durch die Treibstoffleitungen zu den Turbinen. Ein kritischer Moment, bei dem jedes Bauteil des Treibstoffstrangs stark belastet wird. Absolute Dichtigkeit und Sicherheit sind hier unabdingbar. Das gilt in der Luft- und Raumfahrt wie beim Automobilbau. Und das gilt in ähnlichem Maße bei Bauteilen für unterschiedlichste industrielle Anwendungen, wenn etwa zwei hohle Komponenten aus Aluminiumdruckguss sicher, dicht und dauerhaft miteinander verbunden werden müssen. Schweißaufgaben können daher sehr unterschiedlich sein und von federleichten Bauteilen mit Schweißtiefen von 0,1 mm bis hin zu mehreren Tonnen Gewicht mit 200 mm tiefen Nähten verschiedenste Komponenten und Materialien betreffen. Entscheidend für das erfolgreiche Fügen der Naht ist die Wahl der richtigen Technologie.

Konventionelle Verfahren benötigen für das Schweißen von etwa einem Meter Naht mit einer Tiefe von 100 mm oft eine gesamte Tagesschicht. Für Branchen, die auf eine hohe Produktivität angewiesen sind, eine enorm lange Zeit. Deshalb geraten Technologien wie das Laserschweißen bei sehr tiefgehenden Schweißnähten oder schwer fügbaren Materialien schnell an ihre Grenzen. Komponenten, die mit dem Laser geschweißt werden, erfordern außerdem große Mengen an Schutzgas und müssen oft nachbearbeitet werden.

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Der Elektronenstrahl schweißt eine Vielzahl unterschiedlicher Metalle. © Pro-Beam

Eine Technologie, die solche Aufgaben schneller und einfacher umsetzen kann, ist der Elektronenstrahl, auch bekannt unter dem Namen Electron Beam (E-Beam). Noch wird das Jahrzehnte alte Verfahren häufig als zu komplex oder umständlich wahrgenommen. Allerdings hat sich dieses im Rahmen der Digitalisierung in den letzten Jahren zu einer hochmodernen Technologie weiterentwickelt. So lassen sich mittlerweile dank umfassender Innovationen im Software- und CNC-Bereich vielfältige Schweißaufgaben realisieren – präziser, produktiver und wirtschaftlicher. Die Luft- und Raumfahrtbranche, Großforschungsprojekte sowie die Automobilindustrie setzen schon auf das Elektronenstrahlschweißen. Zum Beispiel für das Fügen von Turbinen, Zahnrädern oder tonnenschweren Stahlkesseln. Generell lohnt sich das Verfahren besonders für Branchen, die auf eine hohe Produktivität angewiesen sind. Dennoch bestimmt beim Elektronenstrahl, im Gegensatz zum Lichtbogen, immer die Aufgabe den Prozess – die möglichen Schweißaufgaben sind deshalb höchst vielfältig. Doch was macht Elektronenstrahlschweißen so interessant?

Die Vorteile im Überblick

Schweißen mit dem Elektronenstrahl ist dann von Vorteil, wenn innerhalb enger Toleranzen gefertigt werden muss, das Bauteil nicht zu heiß werden darf oder sehr große Schweißtiefen erforderlich sind. Ist bei einem Bauteil ein hoher Anspruch an die Maßhaltigkeit gefragt, bewährt sich der Elektronenstrahl ebenfalls. Denn aufgrund der geringen Wärmeentwicklung ist der Verzug nur minimal. Die mechanischen und technologischen Gütewerte des Materials bleiben nahezu erhalten. Darüber hinaus führt der Tiefschweißeffekt zu tiefen und gleichzeitig schmalen sowie parallelen Schweißnähten. Damit einhergehend ist das Anwendungsspektrum sehr breit und reicht vom Schweißen kleinster Bauteile bis zum Fügen von Komponenten mit mehreren Tonnen Gewicht.

2.000 Löcher pro Sekunde – das Ergebnis des Elektronenstrahlperforierens. © Pro-beam

Da viele Werkstücke aus einzelnen Teilen gefügt werden, ermöglicht das Verfahren den Einsatz kostengünstigerer Werkstoffe. Eine intelligente Konstruktion kann außerdem teure Zerspan- oder Erodierarbeit überflüssig machen. Generell bietet Elektronenstrahlschweißen eine hohe Geschwindigkeit und gilt als sehr zuverlässig. Eine ein Meter lange Naht mit einer Tiefe von 100 mm schweißt der Elektronenstrahl beispielsweise in weniger als einer Minute. Nach dem Fügevorgang sind die Bauteile einbaufähig und müssen nicht aufwendig nachbearbeitet werden. Dies sind die Hauptgründe, weshalb Unternehmen mit einer hohen Produktivität am meisten von der Fügetechnik profitieren. Aber auch Unternehmen, die Materialien fügen möchten, die als schwer schweißbar gelten, wie Mischverbindungen, Aluminium, Kupfer, Titan, Duplexstahl oder Nickel-Basiswerkstoffe können sich die Technologie zunutze machen. Das Schweißverfahren funktioniert auch mit rauen Flächen und kann an einem beliebigen Schritt der Fertigungskette stattfinden – selbst ganz am Ende, denn es kollidiert nicht mit anderen Vorgängen wie der mechanischen Endbearbeitung, dem Oberflächenfinish oder der Montage von Baugruppen. Außerdem eignet sich das Elektronenstrahlschweißen für Bauteile mit empfindlichem Innenleben, wie beispielsweise Sensoren. Die geringe Wärmeübertragung auf das umgebende Material oder auf die dahinterliegende Elektronik ist zum Beispiel bei der Herstellung von Drucksensoren von enormer Bedeutung, um deren volle Funktionsfähigkeit beizubehalten. Mit dem Electron Beam lässt sich jedoch nicht nur Schweißen. Er eignet sich auch hervorragend zum Bohren mehrerer tausend Löcher pro Sekunde. Besonders kleine Lochdurchmesser, hohe Lochzahlen und tiefe Bohrungen lassen sich mit dem Verfahren problemlos bewerkstelligen.

Wie funktioniert das Elektronenstrahlschweißen?

Beim Elektronenstrahlschweißen erzeugt eine geheizte Kathode zunächst eine Wolke aus freien Elektronen. In der Regel sind Elektronen fest an Atome gebunden, sie lassen sich aber unter Energiezufuhr aus dem Gitterverbund des Festkörpers lösen. Die Elektronen werden dann durch ein elektrisches Feld zur Anode beschleunigt. Elektromagnetische Linsen formen aus den freien Elektronen einen fokussierten Strahl. Dabei erreichen diese eine Geschwindigkeit zwischen einem und zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit. Da sich der Elektronenstrahl magnetisch ablenken lässt, ist er präzise steuerbar und in der Lage, selbst komplexe Schweißaufgaben zu realisieren.

Das gesamte Schweißverfahren findet im Vakuum statt. Treffen die Elektronen auf der Materie auf, geben sie punktgenau Wärme ab, das umgebende Material bleibt dabei weitestgehend kalt. Bei Energiedichten von über 107 W/cm2 verdampft die geschmolzene Substanz im Zentrum schließlich. Dabei entsteht eine Kapillare aus Dampf, die von flüssigem Material umgeben ist.

Das Vakuum ermöglicht die Verarbeitung von refraktären Metallen wie Titan, Zirkonium oder Niob und ist sogar kostengünstiger als der Einsatz von Schutzgasen. Generell führt das Arbeiten unter Vakuum zu sauberen Werkstücken und einer besseren Qualität der Schweißnaht – verglichen mit konventionellen Verfahren. Intelligente Schleusenkonzepte verhindern, dass die Erzeugung des Vakuums zu Lasten der Produktionszeit geht.

Kammeranlagen und Schleusen-Shuttle-Systeme

Die Schweißkammer K6000 steht im Pro-beam-Werk und ist die größte zivile Schweißanlage weltweit. © Pro-Beam

Elektronenstrahl-Schweißanlagen gibt es in zwei verschiedenen Ausführungen: Kammeranlagen und Schleusen-Shuttle-Systeme. Pro-beam, eines der führenden Unternehmen im Bereich Elektronenstrahlschweißen, verfügt über die weltweit größte Schweißkammer im zivilen Bereich. Die K 6000 hat ein Volumen von 700 m3, arbeitet über einen innenliegenden Generator und ist speziell für das Schweißen sehr großer und schwerer Bauteile entwickelt worden. So fügt die Anlage Bauteile von einer Größe bis zu 7 m x 7 m x 14 m und einem Gewicht von bis zu 100 t bei einer Evakuierungszeit von unter 35 Minuten.

Dr. Thorsten Löwer, Vorstand Entwicklung und Anlagentechnik, pro-beam Gruppe. © Pro-beam

Kleine Bauteile, die nur eine geringe Vorbereitungszeit benötigen, lassen sich in Anlagen bearbeiten, die in einer Schleuse das Vakuum auf- und auch wieder abbauen. Auf diese Weise geht bei der Produktion keine Zeit für die Evakuierung der Kammer verloren und diese lässt sich durchgehend nutzen. Bei den Anlagen von Pro-beam ist der Hauptkammer eine Schleuse vorgelagert, die die Beeinträchtigung des Hochvakuums in der Arbeitskammer verhindert und ermöglicht, dass drei Arbeitsgänge parallel ablaufen können: das Be- und Entladen der Werkstücke auf dem Vorbett, das Evakuieren und Belüften in der Schleuse und die Elektronenstrahl-Behandlung in der Arbeitskammer. Anlagen, die auf solch einem System basieren, sind außerdem in einen vollautomatisierten Fertigungsablauf integrierbar und für Industrie-4.0-Umgebungen optimiert.

Dr. Thorsten Löwer, Vorstand Entwicklung und Anlagentechnik, Pro-beam-Gruppe / am

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