Typische Anwendungen für die Elektronenstrahltechnologie ist in der Luft- und Raumfahrt zum Beispiel der Bereich Triebwerke oder Satellitentanks.
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in Kooperation mit Pro Beam

Elektronenstrahlschweißen: Endlich flexibel bei der Konstruktion

Elektronenstrahlschweißen verbindet Effizienz mit Präzision. Welche Möglichkeiten das Schweißverfahren für Konstrukteure bietet.

Elektronenstrahlschweißen hat sich in den letzten Jahren zu einer innovativen Fügetechnologie entwickelt. Dank der umfassenden Neuerungen im Software- und CNC-Bereich können Schweißaufgaben mittlerweile präziser, produktiver und wirtschaftlicher realisiert werden. Auch Konstrukteure profitieren von den vielfältigen Vorteilen des Elektronenstrahls (Electron Beam - "EB" genannt) und erhalten, verglichen mit konventionellen Schweißverfahren, eine höhere Flexibilität beim Design von Bauteilen.

Wie funktioniert 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.

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Tiefschweißeffekt: Durch Schmelzen und Verdampfen kann der Elektronenstrahl tief ins Material eindringen, sodass das Schweißbad das Werkstück durchdringt.

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. Es entsteht eine Kapillare aus Dampf, die von flüssigem Material umgeben ist.

Das gesamte Schweißverfahren findet im Vakuum statt, entweder in einem Schleusen-Shuttle-System oder in Großkammern. Intelligente Schleusenkonzepte verhindern, dass die Erzeugung des Vakuums zu Lasten der Produktionszeit geht. Das Vakuum ermöglicht auch die Verarbeitung von refraktären Metallen wie Titan, Zirkonium oder Niob und erfordert keine Hilfs- und Betriebsstoffe, wie beispielsweise Prozessgase. Das Arbeiten unter Vakuum führt zu sauberen Werkstücken und einer qualitativ hochwertigen Schweißnaht.

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Der Elektronenstrahl schweißt eine Vielzahl von unterschiedlichen Metallen.

Vielseitige Möglichkeiten für Konstrukteure

Bei der Konstruktion besteht die Möglichkeit, Bauteile mit fast beliebigen Geometrien und höchster Komplexität zu realisieren. Denn der Elektronenstrahl lässt sich über Magnetfelder intelligent formen und beeinflussen, wodurch selbst die präzise Bearbeitung von schwer zugänglichen Nähten möglich wird. Eine zerspanende Nachbearbeitung kann meistens entfallen.

Konstrukteure können sich außerdem die Materialfreiheit bei der Technologie zu Nutze machen, da der EB fast alle metallischen Werkstoffe bearbeitet – von Einsatzstählen, Kupfer über Aluminium und Aluminiumlegierungen bis hin zu Titan. Außerdem können auch viele Materialkombinationen gefügt werden, wodurch oft erhebliche Materialkosten eingespart werden.

Ein weiterer Vorteil ist der fokussierte Wärmeeintrag, welcher einen nur minimalen Verzug beim bearbeiteten Werkstück hervorruft und die mechanischen und technologischen Gütewerte des Materials beibehält. Dies ist auch der Grund, weshalb der Elektronenstrahl als das verzugsärmste Schweißverfahren bezeichnet wird. Da mit dem EB geschweißte Komponenten nach dem Schweißvorgang sofort nutzbar und einbaufähig sind, entfallen kostenintensive mechanische Nacharbeiten.

Der Tiefschweißeffekt, welcher sich durch Einschweißtiefen von über 150 mm auszeichnet und gleichzeitig zu schmalen sowie parallelen Schweißnähten mit geringem Schmelzbadvolumen führt, eröffnet darüber hinaus eine Vielfalt an Anwendungsmöglichkeiten. Diese reicht vom Schweißen von Bauteilen mit wenigen Gramm bis hin zum Fügen von Komponenten mit mehreren Tonnen Gewicht. Die erzeugten Metallverbindungen sind sicher und beständig – weshalb sich vor allem die Bearbeitung hochbelastbarer Bauteile für das Verfahren eignet.

Die Vorteile des Elektronenstrahlschweißens kurz zusammengefasst

  • einfache Automatisierung, da rein digitales Tool
  • EB schweißt fast alle metallischen Werkstoffe
  • viele Materialkombinationen können gefügt werden
  • maximale Präzision, da verzugsarmes Schweißverfahren
  • hohe Flexibilität im Prozessdesign
  • zerspanende Nachbearbeitung meist unnötig
  • ideal geeignet für große Stückzahlen aufgrund einfacher Nahtvorbereitung und hoher Schweißgeschwindigkeit
  • kein Schutzgas erforderlich

In zahlreichen Branchen vertreten

Bei Pro Beam arbeitet der Elektronenstrahl zu 100 % digital. Prozesse lassen sich deshalb einfach automatisieren und Ergebnisse jederzeit reproduzieren. Zusätzlich profitieren Anwender von einer lückenlosen Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle, die jederzeit rückverfolgbar sind. Diese Features machen den Elektronenstrahl für eine Vielzahl an Branchen interessant: Von der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrtbranche über die Medizin- und Energietechnik bis hin zur Halbleiterindustrie und dem Maschinen- und Anlagenbau.

Mit freundlicher Unterstützung von Pro Beam.

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