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Elektronenstrahlschweißen – Hidden Champion oder Nischenbewohner?

Autor / Redakteur: Nicolas von Wolff / Peter Königsreuther

Außer per Laserstrahl, funktioniert das Schweißen auch mittels Elektronenstrahl präzise und prozessicher. Der einst schwer kalkulierbare Exot mausert sich nun zum gut beherrschbaren Industrieprozess, berichtet ein Experte der pro-beam-Gruppe.

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Das Elektronenstrahlschweißen hat im Vergleich zum Laserstrahl- oder Lichtbogenschweißen einige Vorteile zu bieten. Außer seiner Material- und Bauteilflexibilität sowie der Fähigkeit präzise und eng toleriert zu fügen, kann es unter Umständen wirtschaftlicher sein als die Konkurrenzverfahren.
Das Elektronenstrahlschweißen hat im Vergleich zum Laserstrahl- oder Lichtbogenschweißen einige Vorteile zu bieten. Außer seiner Material- und Bauteilflexibilität sowie der Fähigkeit präzise und eng toleriert zu fügen, kann es unter Umständen wirtschaftlicher sein als die Konkurrenzverfahren.
(Bild: pro-beam)

Das Schweißen mit dem Elektronenstrahl galt bis vor Kurzem noch als ein sehr komplexer Prozess, der nicht einfach beherrschbar war. Die moderne Anlagen- und Steuerungstechnik ermöglicht eine einfache Bedienung. Daher setzt die Industrie vermehrt auf die Technologie, denn sie bietet zahlreiche Vorteile, vor allem bei Anwendungen, die bisher als schwer schweißbar galten.

Schweißverfahren sowohl Filigranes als auch Großes

Das Elektronenstrahlverfahren erzeugt tiefe, parallele und gleichzeitig schmale Schweißnähte. Winkelverzug und Querschrumpfung sowie andere störenden Einwirkungen sind minimal. Das Anwendungsspektrum ist sehr breit und reicht vom Schweißen kleinster Bauteile bis zum Fügen von Werkstücken mit mehr als 150 mm Wanddicke in einem einzigen Arbeitsgang. Davon profitiert unter anderem die Konstruktion von mechanischen Bauteilen, die Bearbeitung von Einzelteilen aus der Luft- und Raumfahrt, dem Bootsbau oder der Großserienfertigung im Elektro- und Automobilbau.

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Ein Strahl aus gelösten, fokussierten Elektronen

In der Regel sind Elektronen fest an Atome gebunden, sie lassen sich aber unter Energiezufuhr aus der Atomhülle lösen. Beim Elektronenstrahlschweißen erzeugt eine geheizte Kathode zunächst eine Wolke aus freien Elektronen. Diese werden dann durch eine Anode stark beschleunigt. Steuergitter und elektromagnetische Linsen formen aus den freien Elektronen einen fokussierten Strahl. Dabei erreichen die Elektronen eine Geschwindigkeit zwischen einem und zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit. Da sich der Elektronenstrahl leicht magnetisch ablenken lässt, ist er präzise steuerbar.

Heikle Werkstoffe ohne Schutzgas produktiv schweißen

Das Schweißverfahren findet im Vakuum statt. Es nutzt dabei die Energieübertragung der Elektronen, die an der Auftreffstelle beim Abbremsen ihre Wärme punktgenau an das Material abgeben. Der umgebende Werkstoff bleibt dabei weitgehend kalt. Der Tiefschweißeffekt sorgt für schlanke, parallele und tiefe Nähte bis maximal 150 mm. Bei Energiedichten von über 106 W/cm² verdampft das geschmolzene Material im Zentrum der Auftreffstelle. Dabei entsteht eine Kapillare aus Dampf, die von flüssigem Material umgeben ist.

Das Vakuum unterstützt die Verarbeitung von reaktiven Metallen wie Titan, Zirkonium oder Niob und ist sogar wirtschaftlicher als der Einsatz von Schutzgasen. Generell führt das Arbeiten unter Vakuum zu sauberen Werkstücken und einer besseren Qualität der Schweißnaht. Intelligente Schleusenkonzepte verhindern, dass die Erzeugung des Vakuums zu Lasten der Produktionszeit geht.

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