Metalle, Bild: pro-beam

Der Elektronenstrahl erzeugt tiefe und schlanke Nähte und kann auch Metalle schweißen, die als schwer schweißbar gelten. Bild: pro-beam

Das Elektronenstrahlverfahren arbeitet verzugsarm und erzeugt schmale und im Vergleich zum Laser-Verfahren auch sehr tiefe Schweißnähte. Branchen, die auf eine hohe Produktivität angewiesen sind, profitieren am meisten von der Fügetechnik: So benötigen konventionelle Verfahren eine gesamte Tagesschicht für das Schweißen von circa einem Meter Naht mit einer Tiefe von 100 Millimeter, während der Elektronenstrahl die gleiche Länge in nur wenigen Minuten schafft. Das Verfahren bietet eine hohe Genauigkeit und gilt als sehr zuverlässig. Nach dem Fügevorgang sind die Bauteile einbaufähig und müssen nicht aufwendig nachbearbeitet werden. Das Schweißverfahren findet nicht in einer Schutzgasatmosphäre statt, sondern im Vakuum und nutzt die Energieübertragung der Elektronen, die beim Abbremsen Wärme punktgenau an der Auftreffstelle abgeben. Dabei bleibt das umgebende Material weitgehend kalt. Der Tiefschweißeffekt sorgt für schlanke und tiefe Nähte mit Querschnitten von einem bis zu 150 Millimetern. Bei Energiedichten von über 106 W/cm2 verdampft das geschmolzene Material im Zentrum.

Elektronstrahlschweißkammeranlage, Bild: pro-beam
Elektronstrahlschweißkammeranlage mit Dreh-/Schwenk-/Hub-Vorrichtung, die in eine vollautomatische Fertigungs-linie integriert werden kann. Bild: pro-beam

Doch seine Stärke besteht vor allem im Fügen von Materialen, die als schwer schweißbar gelten, wie Mischverbindungen, Aluminium, Kupfer, Titan, Duplexstählen oder auch Nickel-Basiswerkstoffen. Elektronenstrahl-Schweißanlagen gibt es in zwei verschiedenen Ausführungen: Kammer- und Schleusen-Shuttle-Anlagen. Kleine Bauteile, die eine geringe Vorbereitungszeit haben, profitieren von Anlagen, die in einer Schleuse das Vakuum auf- und auch wieder abbauen. So geht bei der Produktion keine Zeit für die Evakuierung der Kammer verloren, die durchgehend genutzt werden kann. Vor der Arbeitskammer befindet sich eine Schleuse, sodass in der Hauptkammer immer ein Hochvakuum herrscht. So können drei Arbeitsgänge parallel ablaufen: Das Be- und Entladen der Werkstücke auf dem Vorbett, das Evakuieren und Belüften in der Schleuse sowie die Elektronenstrahl-Behandlung in der Arbeitskammer. Sie lässt sich in vollautomatisierte Fertigungsabläufe integrieren. Zusätzlich arbeitet ein verkettetes System im Einzelstückfluss effizient mit Rundtaktmaschinen.

Vorteile für Konstrukteure

Triebwerk, Bild: pro-beam
Typische Anwendungen für das Elektronenstrahlverfahren in der Luft- und Raumfahrt finden sich zum Beispiel im Bereich Triebwerke oder Satellitentanks. Bild: pro-beam

Der Elektronenstrahl bietet Konstrukteuren eine größere Flexibilität beim Design der Bauteile, da das Verfahren unter anderem kein Zusatzmaterial benötigt und verzugsarm arbeitet. Die Einschränkungen, die bei konventionellen Verfahren vorherrschen, sollten Konstrukteure getrost beiseite schieben, um alle Vorteile des Elektronenstrahls nutzen zu können: Der Elektronenstrahl arbeitet ohne Zusatzmaterial; der Vorgang findet verzugsarm statt, da der Wärmeeintrag sehr gering ist; alle Schweißprozesse lassen sich direkt reproduzieren, weil die Steuerung komplett digital ist. Der charakteristisch schlanke Elektronenstrahl mit hoher Energiedichte tritt äußerst präzise auf und der Leistungseintrag lässt sich genau steuern. Das erlaubt es, auch schwer- oder nicht zugängliche Nähte zu schweißen. Die vielseitigen Eigenschaften des Elektronenstrahls bieten dem Konstrukteur zahlreiche Möglichkeiten wirtschaftlicher und technisch raffinierter Lösungen. So stellen das geringe Schmelzbadvolumen und die Flankensteilheit der Schweißnähte wesentliche Verfahrensvorteile dar. Aus diesen Eigenschaften resultieren der kleinste Winkelverzug sowie die geringsten Schrumpfungen und Schwindungen aller Schmelzschweißverfahren. Verzug und Formänderungen können im Rahmen der Parameterermittlung minimiert und später in der Fertigung prozesssicher reproduziert werden. Damit kann der Konstrukteur fast schon endmaßgenau planen und dadurch kostenintensive mechanische Nacharbeiten einsparen.

Hersteller von Durchflusssensoren stehen vor der Herausforderung, Rohr-Flansch-Verbindungen an Präzisionsbauteile anbringen zu müssen. Bislang mussten Mitarbeiter den Strahl manuell positionieren. Da dieser präzise Prozess eine hohe Konzentration fordert, müssen die Mitarbeiter sich häufig abwechseln, um Ermüdungserscheinungen und Flüchtigkeitsfehler zu vermeiden. Wird dieses Verfahren allerdings mit dem Elektronenstrahl automatisiert, dient dieser bereits vor dem eigentlichen Schweißvorgang als Sensor-Werkzeug und sucht sich die zu schweißende Fuge selbst – und das vollautomatisch. Anschließend schweißt er das Bauteil präzise mit weniger Verzug. Der Hersteller ist dadurch produktiver und für die Mitarbeiter entfallen die anstrengenden und ermüdenden Arbeiten.