Elektronenstrahlschweißen – Prinzip, Vorteile & Nachteile, Geräte, Nutzung & Wirtschaftlichkeit

Beim Elektronenstrahlschweißverfahren, welches auch als Electron-Beam-Welding oder kurz als EB- Schweißen bekannt ist, wird der Werkstoff durch das Auftreffen hochbeschleunigter Elektronen auf die Werkstückoberfläche geschmolzen. Hierbei erfolgt die Umwandlung kinetischer Energie in Wärme.

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Elektronenstrahlschweißen – das Verfahren verständlich erklärt

Das Elektronenstrahlschweißen erfolgt im Vakuum. Damit benötigt man keine Schutzgase. Elektronen werden auf das Werkstück geleitet, die dort ihre kinetische Energie in Wärme umwandeln. Der Wirkungsgrad ist verglichen mit anderen Schweißverfahren, inklusive dem Laserschweißen, höher. Es wird jedoch auch Röntgenstrahlung freigesetzt, so dass man die Vakuumkammer entsprechend abschirmen muss. Dafür kommt ein Bleimantel zum Einsatz. All das macht dieses Verfahren aufwendig.

Die mit Elektronenstrahlschweißen gesetzten Schweißnähte selbst sind sehr tief und schlank. Oftmals erzeugt man dabei auch parallele Nähte. Die Schweißgeschwindigkeit ist sehr hoch. Damit ist der Wärmeeintrag in das Werkstück geringer, was den Verzug durch die Hitze reduziert bzw. ganz eliminiert.

Mit dem Elektronenstrahlschweißen lassen sich Metalle und Thermoplaste unter einer großen Hitze und einem hohen Druck verbinden. Damit lassen sich auch Werkstücke aus unterschiedlichen Metallen schweißen und sogar Metalle, die sonst unschweißbar sind. Dazu zählen Metalle, die chemisch aktiv sind, einen sehr hohen Schmelzpunkt aufweisen oder aber reflektieren.

Dank dem Vakuum, in dem das Elektronenstrahlschweißen stattfindet, weisen die Schweißnähte sehr gute metallurgische Eigenschaften auf. Der Elektronenstrahl trifft auf das Werkstück und dort entsteht ein Brennpunkt. Darin erhitzt sich der Werkstoff schnell über seinen Schmelzpunkt und verdampft teilweise. Der Brennfleck hat eine Größe von bis zu 100 Mikrometern. In ihm entsteht eine Dampfkapillare, an deren Rand sich das Schmelzbad bildet.

Bewegt man den Strahl aus Elektronen vorwärts, bewegt sich mit ihm auch die Dampfkapillare. Auf ihrer Vorderseite wird der Werkstoff kontinuierlich abgeschmolzen und wandert von dort zur Rückseite, wo das geschmolzene Material wieder erstarrt.

Die Vorteile des Elektronenstrahlschweißens

Mit dem Elektronenstrahlschweißen lassen sich sehr präzise und haltbare Nähte schaffen. Darüber hinaus sind damit diese Vorteile verbunden:

Das Vakuum

In dem Vakuum von 0,0001 Millibar, das in der Schweißkammer vorherrscht, entgast das geschmolzene Material sofort. Das minimiert Poren und es gibt kaum Verunreinigungen innerhalb der Schmelzzone. Auch entfällt der Einsatz von Flussmittel oder Gasen, die man sonst für den Schutz des Schmelzbades benötigt. Dazu kommt, dass das Vakuum ein Abgeben der Wärme an die Umgebungsluft verhindert, da diese nicht vorhanden ist. Das erhöht die thermische Effizienz des Prozesses.

Die Vakuumkammer

Die Vakuumkammern werden genau den Anwendungen angepasst, für die sie bestellt werden. Damit ist ihr Volumen geringer und es beschleunigt das Erreichen des nötigen Vakuums. Das hilft der Produktivität.

Strahleigenschaften

Die Strahleigenschaften erlauben es, die Strahlungsintensität und die Fokussierungsebene zu bestimmen. Auch erfolgt die Ablenkung des Elektronenstrahls sehr präzise, da sie fast trägheitsfrei geschieht. Damit steigt die Produktivität des Prozesses und die Qualität der Naht.

Energieeffizienz

Das Elektronenstrahlschweißen erlaubt es, 60 bis 70% der aufgewendeten Energie in die Strahlleistung umzuwandeln, die im Brennfleck die Arbeit verrichtet. Damit übertrifft das Elektronenstrahlschweißen das Laser- und das Lichtbogenschweißen.

Schweißgeschwindigkeit

Es lassen sich mit dem Elektronenstrahlschweißen Geschwindigkeiten von bis zu 200 Millimeter pro Sekunde erreichen. Das verringert den Verzug, der im Werkstück auftritt. Die Hitze wird extrem konzentriert erzeugt und wirkt nur innerhalb weniger Millisekunden. Das hält die Wärmeeinflusszone und die Schweißnähte extrem schmal.

Tiefschweißen

Mit diesem Verfahren werden sehr tiefe und zugleich sehr schmale Nähte gesetzt. Dabei werden Temperaturen erzeugt, die um die 3.500 °C an der Dampfkapillare erreichen. Damit können bis zu 250 mm in Stahl und sogar bis zu 500 mm in Aluminium geschweißt werden.

Das vollautomatische Schweißen

Für das Elektronenstrahlschweißen werden eigene Anlagen verwendet, die den Prozess automatisch steuern. Damit lässt er sich problemlos rückverfolgen und wiederholen. Das macht ihn sehr sicher, denn alle Arbeiten kann man kontrollieren, als auch dokumentieren.

Die Metalle

Es kann eine sehr große Bandbreite an Metallen geschweißt werden. Dazu gehören neben Stahl und Stahllegierungen auch Titan, Beryllium und Zirkonium, die chemisch aktiv sind. Dazu kommen Refraktärmetalle, wie Molybdän, Niob und Wolfram. Darüber hinaus kann man Metalle wie Kupfer, deren Oberfläche reflektiert, schmelzen, denn der Strahl aus Elektronen wirkt unabhängig von der Wellenlänge.

Die Nachteile des Elektronenstrahlschweißens

Natürlich gibt es neben den Vorteilen auch gewisse Nachteile. So ist die Anwendung des Elektronenstrahlschweißens komplett automatisch. Dementsprechend müsste man die Einzelteile, die verbunden werden sollen, vorbereiten. Es werden hier keine Ungenauigkeiten in der Fertigung der einzelnen Bauteile ausgeglichen. Diese müssen montagefertig vorliegen.

Das eigentliche Schweißen in der Arbeitskammer erfolgt im Vakuum. Daher muss diese Kammer evakuiert werden. Die Luftabsaugung dauert einige Minuten. Diese Zeit ist jedoch weniger ein Hindernis, denn das Einrichten und Vorbereiten der Teile nimmt hier mehr Zeit in Anspruch.

Für die Massenfertigung gedacht, können die Arbeitskammern gleichzeitig mehrere Bauteile verbinden. Damit liegt die anteilige Zeit für die Evakuierung bei nur wenigen Sekunden pro Teil. Das Vakuum schützt dabei die Bauteile weitaus besser, als es ein Schutzgas vermag.

Das Elektronenstrahlschweißen ohne Vakuum

Das Elektronenstrahlschweißen ist auch ohne ein Vakuum möglich. Damit stellen sich jedoch erhebliche Nachteile an. Das beginnt damit, dass der Strahl abgebremst und der Brennpunkt aufgeweitet wird. Damit wird die Schweißnaht weniger tief und sie fällt auch breiter aus. Daher werden damit nur Werkstücke verschweißt, deren Dicke bei maximal 8 mm liegt.

Das Prinzip des Elektronenstrahlschweißens

Für das Elektronenstrahlschweißen wird eine Kathode aus Wolfram eingesetzt. Diese befindet sich im Vakuum und heizt sich auf eine Temperatur von 2.800 °C auf. Das erzeugt eine große Menge freier Elektronen. Magnetische und elektrische Felder bündeln die Elektronen dann zu einem Strahl. Mit Hochspannung, die zwischen 60 und 150 kV liegt, werden die Elektronen auf mindestens 150.000 Kilometer pro Sekunde beschleunigt.

Auch mit einer nur kleinen Masse erhalten die Elektronen mit dieser Geschwindigkeit eine sehr hohe kinetische Energie. Sie treffen konzentriert im Brennfleck auf das Material des Werkstoffes, wo sie es mit dieser Energie sofort verdampfen.

Die Geräte und Schutzmaßnahmen

Das Elektronenstrahlschweißen erfolgt mit kompletten Maschinen. Diese bestehen aus einer Arbeitskammer, in welcher die eigentlichen Schweißprozesse stattfinden, einem Strahlgenerator, Vakuumpumpen, einer Spannungsquelle und einer elektronischen Steuerung.

Die Quelle für die Hochspannung ist so abgesichert, dass keine Berührung damit stattfinden kann. Die Vakuumkammer schützt zugleich vor der Außenluft und der Röntgenstrahlung, die im Inneren entsteht.

Jede Maschine wird nach den Vorgaben der Anwendungen, für die sie gedacht sind, hergestellt. Damit sind sie genau für ihre Aufgaben konfiguriert. Die Anwendungen selbst werden durch den Nutzer festgelegt, der auch weitere Bedarfsvorgaben damit verbinden kann. Dann wird die Maschine gebaut und entsprechend geliefert. Sie kommt mit verschiedenen Vorkehrungen und Vorschriften für die sichere Nutzung, die Mitarbeiter befolgen müssen.

Die Wirtschaftlichkeit des Elektronenstrahlschweißens

Die für das Elektronenstrahlschweißen benötigte Maschine kostet in etwa das Gleiche, wie eine Laserstrahl-Anlage, die sich in der gleichen Leistungsklasse befindet. Die laufenden Kosten für die Arbeiten sind jedoch geringer. Es gibt im Elektronenstrahlschweißen nur ein Verschleißteil in der Maschine und das ist die Kathode. Diese ist bereits für einen Betrag von weniger als 100 Euro zu haben.

Man nutzt keine stofflichen Komponenten für die Formung des Elektronenstrahls. Damit kann auch nichts verschmutzen. Am Werkstück kommt über den gesamten Prozess von der Stromquelle bis zur Hitzeentwicklung 50% der gesamten aufgewendeten Leistung an.

Das Ergebnis des Elektronenstrahlschweißens weist eine sehr hohe Qualität auf. Damit steht den Kosten eine erhebliche Wertschöpfung gegenüber.

Die Nutzung von Elektronenstrahlschweißen

Vor allem die Luft- und Raumfahrt und der Automobilbau nutzen das Elektronenstrahlschweißen. Dazu kommen der Maschinenbau, die Elektro- und Energietechnik, sowie die Feinwerk- und Medizintechnik.

In all diesen Bereichen findet die Nutzung dieser Methode seit Jahrzehnten statt und die Ergebnisse sind sehr gut. Darüber hinaus erobert das Verfahren den Bereich des Schienenfahrzeugbaus, des Kran- und des Anlagenbaus. Hier stehen jedoch bestimmte Vorschriften für die Zulassung im Weg, die ursprünglich für das Lichtbogenschweißen erlassen wurden. Diese müsste man für eine weitergehende Nutzung des Elektronenstrahlschweißens in diesen Bereichen erweitern.

Die Schweißer für das Elektronenstrahlschweißen

Das Personal, dass die Maschinen für das Elektronenstrahlschweißen nutzen, muss entsprechend geschult sein. Dabei ist der Prozess der Ausbildung mit der Ausbildung an anderen Werkzeugmaschinen vergleichbar. Es werden die Details zur Erzeugung und Formung des Elektronenstrahls gelehrt.

Dazu kommt ein Verständnis für die Funktionen der Maschine und den Ablauf des Prozesses. Das rundet der Unterricht zu den Bearbeitungstechnologien, zur Schweißmetallurgie und zur Qualitätssicherung ab. Am Ende gehört noch ein wenig Lehrstoff zur elektronenstrahlgerechten Konstruktion.

Alle Unterrichte haben einen theoretischen und einen praktischen Teil. Damit können die Lehrgangsteilnehmer die nötigen Kenntnisse erlangen und auch erlernen, wie diese in der Praxis anzuwenden sind.

Die Ausbildung zur Nutzung der Maschinen für das Elektronenstrahlschweißen richtet sich an Techniker und Ingenieure. Hinzu kommen Meister und Facharbeiter, die bereits Erfahrung mit der Nutzung von Elektronenstrahlen gesammelt haben.

Die Tätigkeitsbereiche derer, an die sich die Ausbildung richtet, schließt Personal mit ein, das im Bereich der Fertigung und des Schweißens arbeitet. Darüber hinaus kann man damit auch Planer, Manager und Konstrukteure ausbilden.