Das Elektronenstrahlschweissen - Pro-beam AG

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Das Elektronenstrahlschweissen
Grundlagen und Anwendungen
Teil 1
Die Elektronenstrahltechnologie hat in allen Metall verarbeitenden,
aber auch in vielen anderen Branchen Fuss gefasst. Ausser
zum Fügen (Schweissen, Löten) wird sie auch zum Abtragen
(Bohren, Gravieren), Auftragen (Rapid tooling), Umwandeln
(Härten, Legieren) und für andere industrielle Anwendungen
(Polymerisieren, Sterilisieren) herangezogen. Die bekanntesten
Anwendungen dieser Querschnittstechnologie sind aber der
(Fernseh-) Bildschirm und die Erzeugung von Röntgenstrahlung.
Das Elektronenstrahlschweissen hat in seiner 40-jährigen industriellen
Geschichte und mehr als 50 Jahre nach seinen ersten
Anfängen faszinierende Anwendungen hervorgebracht,
die jungen Ingenieuren und selbst vielen erfahrenen Schweissfachleuten
weitgehend unbekannt sind. Das Spektrum reicht
vom Schweissen feinster Folien bis zum Fügen von Werkstücken
mit Wanddicken von über 100 mm in einem Durchgang,
von mikromechanischen Bauteilen winziger Abmessungen bis
zu Rumpfsegmenten von Flugzeugen oder ganzen U-Booten,
von Einzelteilen für die Raumfahrt bis zu Grossserien im Elektro-
oder Automobilbau.
Dipl.-Ing- Thomas Engel, pro-beam AG
Von allen Schmelzschweissverfahren weist das Elektronenstrahlschweissen
die niedrigste spezjfische Wärmeeinbringung,
die schmalsten Schmelzzonen und den geringsten Verzug
der Bauteile auf. Der Elektronenstrahl als Wärmequelle ist
hinsichtlich des Auftrefforts und der Leistung fast trägheitslos
ansteuerbar. In erster Linie zeichnet sich das Verfahren aber
dadurch aus, dass eine Vielzahl einzigartiger konstruktiver Möglichkeiten
gegeben ist, mit denen sich die Fertigungskosten
beim industriellen Einsatz reduzieren lassen. Diese Vielfalt bezieht
sich auf geometrische und funktionale Problemlösungen,
aber auch auf die beteiligten Werkstoffe. Geschweisst werden
können fast alle handelsüblichen Stähle, Aluminium-, Kupfer-
und Nickelwerkstoffe sowie Sondermetalle wie z.B. Titan, Zirkonium
und Molybdän einschliesslich zahlreicher Mischverbindungen.
Das Elektronenstrahlschweissen weist in seiner Entwicklung
noch erhebliches Potenzial auf. Zugleich ist aber seine Industrietauglichkeit
mit weltweit über 7000 gebauten Anlagen hinreichend
bewiesen. Neben den physikalischen Grundlagen und
dem aktuellen Stand der Technik werden im Folgenden auch
einige neue Entwicklungen im Bereich der Anlagentechnik, der
Schweissverfahren und der Anwendungen vorgestellt.
Grundlagen des Verfahrens
Das Elektron ist neben dem Proton und dem Neutron eines der
elementaren Bauteile der Materie. Es eignet sich hervorragend
zur Energieübertragung, wie z. B. im Stromnetz, in Plasmen
einer Leuchtstoffröhre oder bei elektrischen Entladungen, wie
man sie von Blitzen während eines Gewitters kennt.
18 Schweisstechnik / Soudure 07 / 2011
Abb. 1: Standort pro-beam AG in Oberwinterthur
Abb. 2: Kammeranlage pro-beam - Schweiz mit 11 m³
Standorte Firmenphilosophie
Verfahrenstechnik
pro-beam Gruppe
Lohnfertigung SpitzenabdeckungMaschinen-
und
Elektronenstrahl- und Laserstrahl-Technologie
durch pro-beam Anlagenbau
(Schweißen, Bohren, Randschicht-Behandlung)
Alternativen:
Hauptserie Hauptserie • kundeneigene Anlage
• pro-beam Fertigung
Techn. Prototypen- Deutschland
Deutschland Beratung/ fertigungVerfahrens-
Burg
Schweiz
Vorserie/
beim Kunden
Kleinserie
(Betreibermodelle)
Planegg/München, Braunschweig, Neukirchen/Chemnitz,
Burg/Magdeburg, Hasselroth/Hanau
Winterthur
Serienauslauf
Deutschland
und
Neukirchen/Chemnitz
Ersatzteilfertigung
entwicklung China Suzhou
I /vad/02
Unsere Stärken sind Ihr Nutzen
© pro-beam / 5
Abb. 3: Standorte pro-beam AG in der Schweiz, Deutschland und China
demonstrieren internationale Kompetenz bei 41 Mio. € Umsatz in mehr als 40
Ländern mit über 300 Mitarbeitern (2009).

Der zum Schweissen eingesetzte Elektronenstrahl ist nichts
anderes als eine kontrollierte Entladung in Gestalt eines StrahIs
elektrisch geladener Teilchen. Dadurch unterscheidet er sich z.
B. von der Infrarotstrahlung eines Lasers, die sich in Form von
elektromagnetischen Wellen ausbreitet. Die präzise Beherrschbarkeit
des ElektronenstrahIs zeigt sich bei der Fernsehbildröhre,
dem Elektronenmikroskop, der Elekronenstrahl-Lithografie
und natürlich generell bei der Materialbearbeitung mit Elektronenstrahlen.
Einfluss der Beschleunigungsspannung
Je nach Schweissanwendung werden die Strahlelektronen von
einer elektrischen Spannung zwischen 30 und 200 kV beschleunigt.
Dadurch erreichen sie eine Geschwindigkeit zwischen
einem und zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit. Beim Eindringen
in Materie werden sie auf kürzester Strecke abgebremst
und geben ihre Bewegungsenergie zum weitaus grössten Teil
in Form von Wärme ab. Die Eindringtiefe hängt von der Beschleunigungsspannung
ab. In Stahl beträgt sie z. B. 0,06 mm
bei 150 kV Beschleunigungsspannung. Zum Bearbeiten von
sehr dünnen Werkstücken wie z. B. Folien verwendet man
niedrige Beschleunigungsspannungen, da die Elektronen sonst
das Werkstück passieren würden, ohne ihre Energie zu übertragen
(Lenard-Fenster). Für tiefe und sehr schlanke Schweissnähte
wählt man eine hohe Beschleunigungsspannung.
Der Tiefschweisseffekt
Da die Elektronen direkt in dem zu bearbeitenden Material abgebremst
werden, spielen Faktoren wie Plasmaausbildung, Reflexionskoeffizienten
und Absorptionsvermögen der beteiligten
Werkstoffe bei der Einstellung der Schweissparameter praktisch
keine Rolle. Von Bedeutung ist vielmehr eine hohe thermische
Leitfähigkeit. Fast ausschliesslich werden daher Metalle
bearbeitet.
Durch die auftreffenden Elektronen wird die Werkstückoberfläche
erhitzt, und nur durch Wärmeleitung schmilzt tiefer liegendes
Material auf. Die so erreichten Einschweisstiefen liegen
zwischen 1 und 2 mm bei zugleich relativ grosser Nahtbreite.
Übersteigt die Energiedichte im Strahlfleck aber einen Wert von
ca. 105 W/cm 2 , so verdampft das geschmolzene Material im
Zentrum des Strahls. Die so entstehende, von einem flüssigen
Mantel umgebene Dampfkapillare erlaubt dem Strahl, tiefer
vorzudringen und wieder auf festes Material zu stossen. Durch
die Relativbewegung des Werkstücks zum Elektronenstrahl
fliesst das an der Strahlvorderseite geschmolzene Material um
die Kapillare herum und erstarrt an der Rückseite. Durch diesen
Tiefschweisseffekt können schlanke Schweiss nähte mit einer
Tiefe von über 100 mm erzeugt werden.
Der Elektronenstrahlgenerator
Elektronen sind normalerweise an Materie gebunden. Um ein
freies Elektron zu erzeugen, muss dieses Elektron unter Energiezufuhr
aus der Atomhülle gelöst werden. Das Elektronen
Elektronenstrahl-Schweißen
Stoßfuge vor
dem Schweißen
Elektronenstrahlschweissen f
Schmelzen an der
Auftreffstelle des
Elektronenstrahls
Dampfkanal
entsteht
I / cvo / 02
Abb. 4: Elektronenstrahl - Schweissen
Abb. Härten 5: Elektronenstrahl - Perforieren
EB-Härten
• Stähle mit Kohlenstoff >0,18%
• Gezielte Leistungsdichteverteilung
• Partielle Härtezonen,
exakt begrenzt
• Härtetiefen
von 0,1 bis 1,7 mm ohne
Oberflächenanschmelzungen
Umschmelzen
Abb. 6: Elektronenstrahl - Härten
EB-Umschmelzen
I / sth / 02
• Beliebige metallische Werkstoffe
• Erwärmung geringfügig
über den Schmelzpunkt
• Härtesteigerung
auch bei Gusseisen
• Umschmelztiefen zwischen
0,1 bis 5 (10) mm
Dampfkanal und
Schmelzkanal haben
das Werkstück
durchdrungen
Fest-Phasen Prozesse
(To < Ts)
Härten Anlassen
Schweißnaht
nach beendeter
Erstarrung
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To = Oberflächentemperatur Ts = Schmelztemperatur
Flüssig-Phasen Prozesse
(To > Ts)
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Umschmelzen Auflegieren Dispergieren Beschichten
To = Oberflächentemperatur
Ts = Schmelztemperatur
Abb. 7: Elektronenstrahl - Umschmelzen
Beim Härten und Umschmelzen wird durch Ablenksysteme die hohe Leistungsdichte
auf eine zwei- oder dreidimensionale Fläche verteilt.
emittierende Exakt definierbare, Material, lokal begrenzte die Kathode Härte- unddes Umschmelzprofile. Elektronenstrahlgenerators,
I / sth / 02 wird so gewählt, dass die Austrittsarbeit möglichst © pro-beam ge- / 17
ring ist. Zugeführt wird die Energie durch Erhitzen der Kathode.
Abbildung 4 zeigt die Abhängigkeit der Emissionsstromdichte
verschiedener Kathodenmaterialien von der Kathodentemperatur
- jeweils bis zur maximalen Arbeitstemperatur. Thoriertes
07/ 2011 Schweisstechnik / Soudure 19

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Elektronenstrahlschweissen
Abb. 8: Beispiele für das Elektronenstrahlschweissen
links oben - Bronze/Stahl, 30 mm; links Mitte - Aluminium, 40 mm;
links unten - Kupfer, 60 mm; rechts - Stahl 100 mm
Abb. 9: Elektronenstrahl (EB)-Erzeugung
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Wolfram (WTh) bietet bei relativ niedriger Temperatur die
höchste Stromdichte, hat aber wegen der Giftigkeit von Thorium
keine praktische Bedeutung. Lanthanhexaborid (LaB6)
wird dort eingesetzt, wo man sehr hohe Strahlströme erreichen
möchte. Nur mit diesem Material kann die Heizleistung für die
benötigten grossflächigen Kathoden beherrscht werden. Für
die überwiegende Zahl von Elektronenstrahlanwendungen mit
Strahlströmen bis ca. 200 mA werden üblicherweise Kathoden
aus reinem Wolfram (W) eingesetzt. Die erreichbare Emissionsstromdichte
liegt über der von Tantal (Ta).
Erzeugung des Elektronenstrahls
Die von der geheizten Kathode emittierten Elektronen bilden
eine Elektronenwolke aus. Mit einem von aussen angelegten
elektrischen Feld können sie einfach »abgesaugt« werden. Der
Verlauf der elektrischen Feldlinien entscheidet über die Form
des entstehenden Elektronenstrahls.
Dioden- und Triodensysteme sind die beiden gebräuchlichsten
Elektronenstrahl- Beschleunigerstrecken. Beim Diodensystem
werden die Elektronen einfach durch Anlegen einer elektrischen
Spannung zwischen Kathode und Anode beschleunigt.
Die Randelektrode an der Kathode hat durch ihre Geometrie -
im Zusammenspiel mit der Geometrie der Anode - nur feldsteuernde
und somit strahlformende Wirkung. Mit einem solchen
System erhält man einen sehr schlanken Elektronenstrahl. Die
Steuerung des Strahlstroms kann nur durch die Steuerung der
Emission, also durch die Kathodentemperatur, beeinflusst werden.
Aufgrund der Wärmekapazität der Kathode ist mit diesem
System keine schnelle Strahlstromregelung möglich.
Im Unterschied dazu wird beim Triodensystem eine zusätzliche
elektrische Spannung an die Randelektrode (Wehneltelektrode
oder Steuergitter) angelegt. Sie beeinflusst das elektrische Feld
in der Nähe der Kathode, wodurch der Anteil der Elektronenwolke,
der von der Kathode abgesaugt wird, gesteuert wird.
Der Strahlstrom kann auf diese Weise auch ganz gesperrt werden.
Das Triodensystem weist einen ersten Fokus des Elektronenstrahis
(Crossover) bereits zwischen Kathode und Anode
auf. Für Anwendungen, bei denen schnelle Strahlstromänderungen,
ein gepulster Strahlbetrieb und eine exakte Steuerung
des Strahlstroms erforderlich sind, haben sich Triodensysteme
durchgesetzt, da eine Steuerung des Strahlstroms über das
Steuergitter einfacher und präziser durchzuführen ist als über
die Heizung der Kathode.
Strahlführung
Die meisten Strahlgeneratoren weisen unterhalb der Anode
einen schwach divergenten Strahl auf. Um mit diesem am
Werkstück eine für das Schweissen typische Leistungsdichte
von 106 bis 107 W/cm 2 zu erreichen, muss der Strahl, je nach
Leistung, auf einen Fleckdurchmesser zwischen 0,1 und 1,0
mm fokussiert werden. Bei Strahlgeneratoren, die zur Materialbearbeitung
verwendet werden, haben sich elektromagnetische
Linsen als präzise fokussierende Elemente durchge-

setzt. Für den Betrieb dieser in einem Eisenjoch gefassten Kupferspulen
sind einfache Stromversorgungen mit hoher Konstanz
und feiner Auflösung erforderlich.
Zur Beschreibung der Abbildungsverhältnisse und Abbildungsfehler
kann auf die aus der Lichtoptik bekannte Terminologie
zurückgegriffen werden. Zu beachten sind allerdings geringfügige
Unterschiede. Anders als Lichtwellen rufen geladene Teilchen
einen Raumladungseffekt hervor. Bei hoher Strahlstromdichte
und entsprechend niedriger Beschleunigungsspannung
ist daher eine Strahlaufweitung durch die sich gegenseitig abstossenden
Elektronen zu beobachten. Ausserdem wird das
Bild beim Durchgang durch die Magnetlinse abhängig von der
Feldstärke gedreht (Bildfelddrehung). Da aber meistens mit
einem kreisförmigen Strahlquerschnitt gearbeitet wird, fällt dieser
Effekt nicht auf. Interessanter hingegen ist die einfache Variierbarkeit
der Brennweite der Linse durch Ändern des Spulenstroms.
Diese Eigenschaft gilt auch für andere magnetoptische
Komponenten. Strahlastigmatismus schliesslich lässt
sich durch einen Stigmator einfach korrigieren. Dieser besteht
aus zwei Paaren einander gegenüberliegender, gleichnamiger
Magnetpole, mit denen die Form des Strahlquerschnitts durch
unterschiedliche Anregung der Elektromagnete variabel beeinflusst
werden kann. (Abb. 4)
Wandelt man den Aufbau des Stigmators so ab, dass sich
immer gegenpolige Magnete gegenüber stehen, erhält man
ein Ablenksystem. Solche Ablenker werden an verschiedenen
Stellen des Elektronenstrahlerzeugers positioniert. Direkt unterhalb
der Beschleunigerstrecke befindet sich ein x-y-Ablenker,
der den Elektronenstrahl auf das Linsenfeld zentriert, um eine
optimale Abbildung zu gewährleisten. Ein weiterer x-y¬Ablenker
unterhalb der Fokussieroptik dient zur Positionierung des
Strahlflecks auf dem Werkstück und ermöglicht viele interessante
Anwendungen, von denen einige im Folgenden kurz dargestellt
werden.
Ist die zu schweissende Kontur in ihrer geometrischen Ausdehnung
nicht zu gross, kann sie alleine durch Ablenkung des ElektronenstrahIs
ohne jede Werkstückbewegung abgefahren werden.
Wird mithilfe eines Koordinatentisches auch das Werkstück
bewegt, kann die mechanische Bewegung über eine CNC
(Computerized Numerical Control) mit der Ablenkung des
Strahls kombiniert werden. Die Ablenker lassen sich mit beliebigen
periodischen Funktionen wie z. B. Sinus, Dreieck, Rechteck
und Kreis anregen, um den Strahl innerhalb der Schweissnaht
längs oder quer zur Schweissrichtung oszillieren zu lassen.
Eine weitere Anwendung schneller Ablenksysteme ermöglicht
die Abbildung der Werkstückoberfläche und die exakte Positionierung
des Werkstücks zum Strahl.
zu pro-beam Geschichte / Meilensteine
siehe Abb. 10 - 13
Betriebliche Praxis des Elektronenstrahlschweissens
Detaillierte Informationen folgen in Teil 2
Abb. 10: 1974 Firmengründung durch
Dr. h.c. Dietrich, Frhr. von Dobeneck
Elektronenstrahlschweissen f
Abb. 12: 1993 Erste pro-beam Schleusenanlage S1
Abb. 12: 2003 Großkammeranlage K6000-1
Abb. 11: Kammeranlage mit 0,01 m³ ,
bis 1 kg Stückgewicht
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